récupération de chaleur et utilisation des rejets thermiques

Office fédéral des questions conjoncturelles

1995 724.355 f

Récupérationde chaleur et

utilisation des rejetsthermiques

Planification, construction et exploitationrationnelle de la récupération de chaleur

et de l’utilisation des rejets thermiques

Ravel dans le domaine

de la chaleur

Cahier 2

Récupération de chaleuret utilisation des rejets thermiques

La récupération de chaleur et l’utilisation des rejets ther-miques utilisent le courant de sept à dix fois mieux qu’unchauffage électrique et environ trois fois mieux qu’unepompe à chaleur. Pas étonnant dès lors que ces rejets ther-miques, provenant de procédés industriels, soient deve-nus aujourd’hui une source d’énergie dont l’importanceva croissant, alors que jusqu’ici ils étaient considéréscomme inutiles et donc simplement évacués. L’utilisationdes rejets thermiques n’est pas seulement judicieuse dupoint de vue écologique ou énergétique, mais souventrentable dans de nombreux cas, également dans les peti-tes installations. La rentabilité implique une planificationminutieuse dans les petits systèmes, davantage encoreque dans les grandes installations. A partir d’une situationbien définie, la rentabilité ne peut être garantie qu’en pré-sence de solutions techniques optimales offrant le meil-leur rendement possible. Compte tenu de la complexitédes installations et du nombre important de techniquesdifférentes, le choix du système le plus approprié devientune tâche très difficile. Lorsque l’on parcourt les manuelsd’enseignement actuels, il est difficile d’y trouver desdétails quant au dimensionnement pratique d’installa-tions de récupération de chaleur et de l’utilisation desrejets thermiques. La présente brochure RAVEL a pour butde combler ces lacunes. En proposant une vue d’ensemble des différents systèmeset de leurs composants, les auteurs font le point sur lestechniques les plus récentes. Ils mettent en évidence leprincipe de fonctionnement, les avantages et inconvé-nients des systèmes considérés et le secteur d’applicationprécis propre à chaque type d’installation. Dans un deuxième temps, ils répondent cas par cas auxquestions principales des responsables de projets concer-nant les problèmes posés par la planification et la réalisa-tion, comme par exemple : dans quel cas la constructiond’une installation de récupération de chaleur ou d’utilisa-tion des rejets thermiques se justifie-t-elle? Comment pro-céder pour trouver la solution? Quelles sont les différentesétapes de la planification? Comment évaluer la rentabilitéet calculer le rendement d’une installation? Quelles sontles normes légales et les directives à respecter ? Les théo-ries de bases sont développées à l’aide des formules decalculs les plus importantes, étayées d’exemples concrets.Conçue de manière à faciliter la tâche du lecteur et prévuepour être consultée quotidiennement, cette brochure repré-sente un instrument de travail et une aide de planificationappréciables, au vu des caractéristiques, marches à suivreet autres aide-mémoire qu’elle contient.

ISBN 3-905233-77-0Edition originale : ISBN 3-905233-08-81995N° de commande: 724.355 f

Programme d'impulsions RAVELOffice fédéral des questions conjoncturelles

Récupération de chaleuret

utilisation des rejets thermiques

Planification, construction et exploitation rationnelle

de la récupération de chaleur

et de l’utilisation des rejets thermiques

RAVEL dans le domaine de la chaleur

Cahier 2

«RAVEL dans le domaine de la chaleur»en 5 cahiers

Rédacteur principal : Hans Rudolf Gabathuler

Dans un proche avenir, les techniques d’améliorationdes systèmes liés à l’énergie vont gagner beaucoupd’importance. Sur ce thème, la littérature à dispositionest encore peu abondante. C’est pourquoi trois coursRAVEL «Récupération de chaleur et utilisation des rejetsthermiques», «Pompes à chaleur» et «Couplage cha-leur-force » vont permettre aux planificateurs(trices)actuels de se perfectionner dans ce domaine promet-teur. La série de publications éditée à cet effet, «RAVELdans le domaine de la chaleur» se compose de cinqcahiers. Ces cahiers peuvent être obtenus à l’Office cen-tral fédéral des imprimés et du matériel, 3000 Berne.Cahier 1 : Electricité et chaleur – document de base

et annexes (N° de commande: 724.357 f)Cahier 2 : Récupération de chaleur et utilisation des

rejets thermiques (N° de commande: 724.355 f)

Cahier 3 : Pompes à chaleur (N° de commande: 724.356 f)

Cahier 4 : Couplage chaleur-force (N° de commande: 724.358 f)

Cahier 5 : Schémas standards (N° de commande: 724.359 f)

Points importants

Indications concernant la série«RAVEL dans le domaine de la chaleur»(voir ci-dessus)

Bibliographie complémentaire

Renseignements sur le logiciel

Exemples de calculs

Dénomination, formules et abréviationsà la page57

INDEX Index à la page 58

AuteursRobert Brunner, Dr. Brunner & Partner AGIndustriestrasse 5, 5432 NeuenhofViktor Kyburz, InfoenergieKindergartenstrasse 1, 5200 Windisch

ExpertsHanspeter Pfenninger, Konvekta AG, 9015 St. GallenErich Thoma, F. Hoffmann-La Roche AG, 4002 Basel

Rédaction et réalisationHans Rudolf Gabathuler, Gabathuler AG, Kirchgasse 23, 8253 Diessenhofen

TraductionPlanair, Crêt 108A, 2314 La Sagne

GraphismeMonika Ehrat, 8240 Thayngen

Mise en page et photocompositionConsortium Dac /City Comp SA, Morges et Lausanne

Organisation de soutienSBHI Ingénieurs-conseils suisses de la technique du

bâtiment et de l’énergie, Schermenwaldstr. 10,3063 Ittigen

PatronageASCV Association suisse des entreprises de chauffage

et ventilationSICC Société suisse des ingénieurs en chauffage et

climatisationUSTSC Union suisse des professionnels de la technique

sanitaire et chauffageUTS Union technique suisse

ISBN 3-905233-77-0

Edition originale : ISBN 3-905233-08-8

Copyright © 1995 Office fédéral des questions conjoncturelles,3003 Berne, octobre 1995. Reproduction d’extraits autorisée avecindication de la source. Diffusion: Coordination romande du pro-gramme d’action «Construction et Energie», EPFL-LESO, Casepostale 12, 1015 Lausanne (Numéro de commande 724.355 f).

Form 724.355 f 9.95 300

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Avant-propos

Avant-propos

D’une durée totale de 6 ans (1990-95), le programmed’action «Construction et Energie» se compose des troisprogrammes d’impulsions suivants :• PI-BAT – Entretien et rénovation des constructions• RAVEL – Utilisation rationnelle de l’électricité• PACER – Energies renouvelablesCes trois programmes d’impulsions sont réalisés enétroite collaboration avec l’économie privée, les écoleset la Confédération. Leur but est de favoriser une crois-sance économique qualitative. Dans ce sens ils doiventconduire à une plus faible utilisation des matières pre-mières et de l’énergie, avec pour corollaire un plus largerecours au savoir-faire et à la matière grise.

Le programme RAVEL cherche principalement à amélio-rer la compétence des professionnels à utiliser l’énergieélectrique à bon escient. Outre les aspects de la sécuritéet de la production, qui étaient prioritaires jusqu’ici, il estaujourd’hui indispensable de s’intéresser davantage auxrendements. RAVEL a établi une matrice de consomma-tion qui définit dans leurs grandes lignes les thèmes à trai-ter. Les procédés utilisés dans l’industrie, le commerce etle secteur tertiaire sont à considérer parallèlement aux uti-lisations de l’électricité dans les bâtiments. Dans cecontexte, les groupes-cibles concernés sont les spécia-listes de tous les niveaux de formation et les décideursqui doivent gérer les investissements en matière d’équi-pements et de procédés.

Cours, manifestations, publications, vidéos, etc.Les objectifs de RAVEL sont poursuivis par des projets derecherche et de diffusion des connaissances de base, pardes cycles de formation et de perfectionnement, ainsi quepar l’information. Le transfert des nouvelles connaissan-ces est orienté vers une mise en pratique dans le travailquotidien. Il repose principalement sur des publications,des cours et des réunions. Une journée d’informationannuelle RAVEL permet de présenter et de discuter desnouveaux résultats, développements et tendances decette discipline fascinante qu’est l’utilisation rationnellede l’électricité. Les personnes intéressées trouverontdans le bulletin «Construction et Energie» de plus amplesinformations sur le vaste éventail des possibilités enmatière de formation continue offertes aux groupes-cibles. Ce bulletin paraît trois fois l’an et peut être obtenugratuitement en s’adressant à la Coordination romandedu programme d’action «Construction et Energie», EPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne. En outre, chaqueparticipant à un cours, ou autre manifestation du pro-

gramme, reçoit une publication spécialement élaborée àcet effet. Toutes ces publications peuvent également êtreobtenues en s’adressant directement à la Coordinationromande du programme d’action «Construction et Ener-gie», EPFL-LESO, Case postale 12, 1015 Lausanne.

CompétencesAfin de maîtriser cet ambitieux programme de forma-tion, il a été fait appel à des spécialistes des diversdomaines concernés ; ceux-ci appartiennent au secteurprivé, aux écoles, ou aux associations professionnelles.Ces spécialistes sont épaulés par une commission quicomprend également des représentants des associa-tions, des écoles et des branches professionnellesconcernées.

Ce sont les associations professionnelles qui prennenten charge l’organisation des cours et des autres activi-tés proposées. Pour la préparation de ces activités, unedirection de projet a été mise en place ; elle se composedu Dr Roland Walthert, de M. Werner Böhi, du Dr EricBush, de MM. Jean-Marc Chuard, Hans-Rudolf Gabathu-ler, Ruedi Messmer, Jürg Nipkow, Ruedi Spalinger, duDr Daniel Spreng, de M. Felix Walter, du Dr CharlesWeinmann, de MM. Georg Züblin et Eric Mosimann del’OFQC. Une très large part des activités est confiée à desgroupes de travail qui sont responsables du contenu, demême que du maintien des coûts et des délais.

DocumentationAprès avoir été soumise à une large consultation pourêtre testée et discutée, la présente publication a été soi-gneusement remaniée. Toutefois les auteurs ont eutoute liberté d’analyser, selon leurs critères propres, dif-férents points de vue sur des questions particulières etassument la responsabilité des textes. On pourra remé-dier à certaines lacunes pouvant se présenter dans lapratique en procédant à d’éventuelles adaptations. Lespropositions seront prises en compte par l’Office fédé-ral des questions conjoncturelles et par le rédacteur (cf.page 2). Nous remercions vivement tous les collabora-teurs qui ont offert leur précieux concours à l’élabora-tion de la présente brochure.

Office fédéral des questions conjoncturellesService de la technologie

Dr B. Hotz-HartVice-directeur

Table des matières

Table des matières

1. RC /URT et utilisation rationnelle de l’électricité _______________________________________________________________71.1 Situation de la RC et de l’URT dans le concept énergétique ___________________________________________________________7

Concepts ______________________________________________________________________________________________________7Délimitation ___________________________________________________________________________________________________7Dispositions ___________________________________________________________________________________________________7

1.2 RC/URT et RAVEL _________________________________________________________________________________________________8Que font la RC et l’URT dans RAVEL?____________________________________________________________________________8Domaines d’utilisation en relation avec RAVEL ___________________________________________________________________9

2. Composants et systèmes ______________________________________________________________________________________112.1 Aperçu des différents systèmes____________________________________________________________________________________11

Catégories____________________________________________________________________________________________________11RC sur air évacué _____________________________________________________________________________________________11RC dans les installations industrielles d’évacuation de l’air _______________________________________________________11RC/URT des gaz et des liquides ________________________________________________________________________________12Schémas hydrauliques ________________________________________________________________________________________12Régulation de la puissance ____________________________________________________________________________________12Risques de formation de gel ___________________________________________________________________________________13Contamination________________________________________________________________________________________________13Energie d’appoint _____________________________________________________________________________________________13Décontamination _____________________________________________________________________________________________13Présentation et dimensions ____________________________________________________________________________________16Indications de puissance ______________________________________________________________________________________16

2.2 Systèmes de type «récupérateur» _________________________________________________________________________________16Echangeurs de chaleur à plaques et à tubes pour l’air____________________________________________________________16Echangeurs de chaleur à plaques pour liquides _________________________________________________________________17Echangeurs de chaleur tubulaires ______________________________________________________________________________18Utilisation de l’échangeur de chaleur tubulaire comme condenseur dans la production de froid_____________________19Autres utilisations d’échangeurs de chaleur de type «récupérateur» ______________________________________________19

2.3 Systèmes de type «régénérateur» _________________________________________________________________________________20Circuits fermés _______________________________________________________________________________________________20Caloducs _____________________________________________________________________________________________________21Echangeurs de chaleur rotatifs _________________________________________________________________________________21

2.4 Pompes à chaleur et transformateurs de chaleur____________________________________________________________________22Pompes à chaleur_____________________________________________________________________________________________22Compression bi-étagée________________________________________________________________________________________23Transformateurs de chaleur ___________________________________________________________________________________24

3. Principes de base ______________________________________________________________________________________________253.1 Rejets thermiques ________________________________________________________________________________________________253.2 Echangeurs de chaleur____________________________________________________________________________________________26

Transfert de chaleur___________________________________________________________________________________________26Pertes de charge ______________________________________________________________________________________________27

3.3 Grandeurs caractéristiques________________________________________________________________________________________28Rendements lors d’échanges de chaleur ________________________________________________________________________28Amplification électrothermique ________________________________________________________________________________29

3.4 Dimensionnement et optimalisation _______________________________________________________________________________29Prudence face aux indications de rendement des températures! _________________________________________________29Récupération annuelle de chaleur ______________________________________________________________________________30Optimalisation________________________________________________________________________________________________32Récupération maximale nette d’énergie ________________________________________________________________________32Gain financier maximal________________________________________________________________________________________32

3.5 Rentabilité _______________________________________________________________________________________________________33

Table des matières

4. Planification____________________________________________________________________________________________________354.1 Aide-mémoire RAVEL_____________________________________________________________________________________________35

Commencer par réduire la consommation d’énergie!____________________________________________________________35Utilisation de l’aide-mémoire RAVEL ___________________________________________________________________________35Paramètres «source-utilisateur» _______________________________________________________________________________36Paramètres de connexion en réseau____________________________________________________________________________36Autres aspects de connexion en réseau_________________________________________________________________________38Critères de rentabilité _________________________________________________________________________________________38Coûts externes________________________________________________________________________________________________39

4.2 Méthodes de mesure _____________________________________________________________________________________________394.3 Recherche de solutions ___________________________________________________________________________________________414.4 Phases de la planification _________________________________________________________________________________________42

Annexe ________________________________________________________________________________________________________________43A. Domaines d’application ___________________________________________________________________________________________43

RC dans le secteur du confort __________________________________________________________________________________43RC dans l’industrie ____________________________________________________________________________________________43Procédés industriels de ventilation _____________________________________________________________________________43Installations de froid __________________________________________________________________________________________43Production d’air comprimé ____________________________________________________________________________________44Situation générale dans l’industrie _____________________________________________________________________________44Exemple de l’industrie chimique _______________________________________________________________________________45Transmission de chaleur à travers des barrières de sécurité ______________________________________________________46Couplage chaleur-force________________________________________________________________________________________46Installations ORC _____________________________________________________________________________________________46

B. Exemples ________________________________________________________________________________________________________47Industrie de développement de films ___________________________________________________________________________47«Refroidissement doux» ______________________________________________________________________________________48Production de froid en hiver ___________________________________________________________________________________49Raccordement chaud et froid __________________________________________________________________________________50

C. Méthode du pincement ___________________________________________________________________________________________51D. Aide-mémoire RAVEL_____________________________________________________________________________________________53

Aide-mémoire RAVEL «source de chaleur» _____________________________________________________________________53Aide-mémoire RAVEL «récepteur de chaleur» __________________________________________________________________53Raccordements _______________________________________________________________________________________________53

Dénominations, symboles, abréviations ______________________________________________________________________________57

Index _________________________________________________________________________________________________________________58

Publications du programme d’impulsions RAVEL_____________________________________________________________________59

1. RC, URT et utilisation rationnelle de l’électricité

1. RC, URT et utilisation rationnellede l’électricité

1.1 Situation de la RC et de l’URT dans le concepténergétique

ConceptsLa récupération de chaleur (RC) et l’utilisation des rejetsthermiques (URT) sont des techniques visant à utiliserl’énergie de manière rationnelle. Elles permettent lamise en place de procédés rentables et respectueux del’environnement. La différence entre RC et URT provientde l’orientation des flux thermiques en relation avec laconfiguration du système (encadré 1)1).

DélimitationLes méthodes de RC/URT s’appliquent pratiquement àtoutes les disciplines techniques. Dans cette étude,l’accent sera porté sur la RC/URT dans la technique dubâtiment et sur l’URT des sources de chaleur indus-trielles pour une utilisation orientée vers la technique dubâtiment (tableau 2). L’URT provenant de la techniquedu bâtiment n’est que très rarement appliqué au secteurindustriel. La RC/URT dans le secteur industriel relèved’un domaine spécial qui dépasse le cadre de la pré-sente brochure, en raison des caractéristiques tech-niques propres à chaque procédé.

DispositionsL’utilisation des rejets thermiques n’est à envisagerqu’après mise en œuvre de toutes les possibilités appli-cables en vue d’éviter des rejets thermiques, et prise desdispositions garantissant une couverture rationnelledes besoins de chaleur. Le tableau 3 propose une pro-cédure d’analyse différenciée en fonction des domainesd’application. Dans le secteur industriel, la priorité estdonnée à la production et aux mesures de rationalisa-tion qui en découlent. Dans le secteur de la technique dubâtiment, il s’agit d’assurer le confort en veillant à limi-ter le plus possible la consommation.Le tableau 4 propose une série de mesures concrètes,différentes selon les besoins, pour une utilisation ration-nelle de l’énergie dans les secteurs de l’industrie et dubâtiment.

7

Encadré 1

Tableau 2 : Délimitation des domaines à étudier ; dans cettebrochure, l’accent est mis sur les domaines encadrés.

Récupération de Chaleur, en abrégé: RC

Les inévitables rejets thermiques dégagés par un procédésont réinjectés dans le même procédé, sans grand décalagede temps. La formule idéale consiste à faire coïncider sourceet récepteur en temps et en quantité; on obtient ainsi unmeilleur rendement de l’installation.

Utilisation des Rejets Thermiques, en abrégé: URT

Les inévitables rejets thermiques dégagés par un procédésont réinjectés dans d’autres procédés, sans ou avec déca-lage de temps. L’attention sera axée sur l’offre et la demandede chaleur ; il est souvent nécessaire de stocker la chaleurdans un accumulateur. L’utilisation globale de l’énergie estaméliorée par la création d’un réseau de connexions, alorsque le rendement d’une installation isolée reste inchangé.Selon le lieu de l’utilisation de la chaleur, il faut faire une dis-tinction entre l’utilisation à l’intérieur de l’entreprise dans unautre procédé (URT interne) et l’utilisation par des tiers àl’extérieur de l’entreprise (URT externe).

Cahier 1, paragraphe 3.1.☞

1) Remarque: le mélange d’air recyclé dans les installations deventilation n’est pas considéré comme RC, car il s’agit d’unediminution des besoins (renouvellement d’air plus faible).

Source

Habitat

Industrie

RCURT

URT

URT(rarement)

RC / URT(domainespécial)

Utilisateur

Habitat Industrie


8

Tableau 4 : Exemples de mesures dans les domaines du bâtiment et de l’industrie.

Même si les frais d’investissement sont élevés, lesmesures à prendre en relation avec la RC/URT sont sou-vent rentables. Il vaut donc la peine d’entreprendre desdémarches sérieuses, surtout en cas d’assainissementet de rénovation. Pour le fonctionnement proprementdit d’une installation, le recours à la RC/URT n’est certespas indispensable, mais dans l’ensemble, l’énergie n’ensera que mieux utilisée.

1.2 RC / URT et RAVEL

Que font la RC et l’URT dans RAVEL?Beaucoup! Car ils participent avec le couplage chaleur-force (abréviation CCF) à la stratégie de protection del’environnement menée par RAVEL. En dépit d’une pro-duction de courant avec des agents énergétiques d’ori-gine fossile, l’environnement doit être mieux préservéque jusqu’ici. Cette règle est respectée, si une partie ducourant produit par CCF est réinjectée dans des amplifi-cateurs électrothermiques. L’exemple le plus représen-tatif d’un amplificateur électrothermique est la pompe àchaleur (abréviation : PAC) : avec une unité d’électricité,elle produit trois unités de chaleur de chauffage. Les ins-tallations de RC et d’URT sont également des amplifica-teurs électrothermiques, mais avec l’aide desquels onobtient des facteurs d’amplification beaucoup plus per-formants, allant de 7 à 25!

Cahier 1, paragraphe 2.5 et 3.4.☞

Tableau 3 : Catalogue des mesures principales en matière d’uti-lisation de l’énergie dans les secteurs de l’industrie et de l’habi-tat, avec indication du domaine d’application (I = industrie, H = habitat).

Intégration Coût

Eviter toute consommation inutile I faible1

Réduire les besoins H faible

Service I, H faible

Surveillance I, H faible

Réduction du besoin spécifiqued’énergie

I, H moyen2

Diminuer les pertes H moyen

Augmentation du rendementénergétique

I moyen3

Bonne régulation I, H moyen

Utilisation de la chaleur libérée de sources de chaleur diffuses

H moyen

Récupération de l’énergie I, H élevé4

Récupération de la chaleur (RC) I, H élevé

Récupération des rejets thermiques (URT)

I, H élevé

Utilisation de sources d’énergiesrenouvelables

I, H très élevé5

Mise en valeur des énergiesrésiduelles (protègeenvironnement et coût)

I, H très élevé

Construction et habitat Technique de procédé et de production

Amélioration par desmesures d’organisation et d’exploitation

Connaître la consommation d’énergie; classerles flux des rejets thermiques selon genre,volume, lieu et période; conditions à fixer judicieusement pour air évacué et air pulsé;optimaliser le service en air de roulement,réduire la température des locaux.

Examiner les procédés; analyser les flux énergétiques ; réduire les températures; examiner les programmes horaires.

Amélioration en misantsur un coût d’investisse-ment plutôt faible

Réduire les pertes de distribution; améliorercommande et régulation; améliorer le rende-ment des générateurs de chaleur; poser deshorloges.

Exploiter les condensats ; isoler les conduites ;améliorer la régulation; disposer d’entraîne-ments à vitesse variable.

Amélioration en misantsur un coût d’investisse-ment plutôt élevé

Récupérer la chaleur dans les installations deventilation et de climatisation; utilisation desrejets thermiques pour le chauffage de l’eausanitaire et assistance au chauffage; introduireune gestion technique centralisée; installer lefree cooling; utiliser la chaleur de condensationdes machines de refroidissement.

Récupérer la chaleur dans le procédé;compression bi-étagée; utiliser les rejets thermiques dans l’exploitation; introduire unegestion technique centralisée des procédés;installer des machines de production à rendement élevé.


Domaines d’utilisation en relation avec RAVELEn considérant l’utilisation rationnelle de l’électricitédans le domaine de la chaleur, on remarque quatre casbien distincts (cf. encadré 5). Les points 2 à 4 sont impor-tants pour des utilisations de RC/URT dans l’un des sec-teurs définis au tableau 2.Un procédé électrique quelconque, libérant de la chaleur,ne convient pas forcément à une utilisation rentable derejets thermiques. Pour parvenir à une utilisation judi-cieuse, la chaleur doit être récoltée et transportée à peude frais. L’analyse des sources de chaleur électriques estfacilitée par l’utilisation d’un aide-mémoire (paragraphe4.1 et annexe D). Exemples typiques : convertisseurs élec-triques-électriques (transformateurs, ordinateurs), con-vertisseurs électriques-mécaniques (moteurs, généra-teurs), convertisseurs électriques-chimiques (électrolyse,accumulateurs), convertisseurs électriques-thermiques(fours électriques) et autres procédés électriques tels quesource de lumière, électronique d’agrément, etc.Les procédés électrothermiques à basse température(chauffage électrique, chauffage de l’eau, préchauffagede l’air, etc.) sont des éléments potentiels favorables àun approvisionnement en rejets thermiques. Pourautant que des émetteurs de rejets thermiques soientdisponibles et que les consommateurs ne soient pas dis-persés en trop petits groupes, l’énergie électriquepourra être remplacée en grande partie par des rejetsthermiques. Par cette substitution, l’électricité passe durôle d’agent énergétique principal à celui de distributeurd’énergie d’appoint.Les fonctions essentielles des installations de RC/URTsont les suivantes : transport de chaleur, transmissionde chaleur et régulation centrale des flux thermiques.Les éléments supplémentaires indispensables à cesdiverses fonctions (pompes électriques, ventilateurs,etc.) provoquent une augmentation des besoins en élec-tricité. L’adjonction d’échangeurs de chaleur dans lesconduits et les canalisations accroît les pertes de chargeet, de ce fait, la consommation électrique des moyensmis en place. Afin d’obtenir le meilleur rapport possibleentre l’énergie électrique supplémentaire utilisée etl’énergie thermique récupérée, les moteurs, pompes etventilateurs devront atteindre un rendement optimal.

9

Encadré 5

Quatre principaux secteurs d’application

1. Mise en valeur de rejets thermiques à haute température:la vapeur à haute température produite par des rejets ther-miques de procédés entraîne un générateur de courantpar l’entremise d’une turbine à vapeur.

2. Utilisation de rejets thermiques découlant de procédésélectriques : rejets thermiques provenant de gros trans-formateurs destinés au chauffage de locaux.

3. Substitution de systèmes électrothermiques par l’utilisa-tion des rejets thermiques: remplacement des corps dechauffe électriques du chauffe-eau par un échangeur dechaleur alimenté par des rejets thermiques.

4. Utilisation rationnelle de l’électricité comme énergied’appoint dans des installations de RC / URT : moteurs,pompes et ventilateurs réglés pour un rendement optimal.

2. Composants et systèmes


2.1 Aperçu des différents systèmes

CatégoriesLes éléments principaux des installations de RC/URTsont les échangeurs de chaleur, tant que la températurede la source est supérieure à la température d’utilisa-tion. Si l’on inverse les conditions, la pompe à chaleurdevient l’élément principal de l’installation. Les diffé-rents systèmes sont divisés en 4 catégories (tableau 6 etencadré 7). Le tableau 8 montre différents composantsdes installations de RC/URT.La RC peut se baser sur des schémas définis et des appa-reils standardisés, alors que dans le cas de l’URT, récu-pérateurs et régénérateurs doivent toujours être planifiésindividuellement, étant donné les diverses possibilités deleur utilisation.En ce qui concerne l’eau et l’air, différentes technologiessont en principe appliquées pour les composants et lessystèmes. A propos de l’air, il faut tenir compte du fac-teur humidité. Au sujet de l’eau, on a en général affaireà un système à fluide unique, et seules les limites impo-sées par l’utilisation de l’appareil sont à considérer.

RC sur air évacuéCette méthode est décrite au tableau 10. Pour de plusamples renseignements, on peut consulter la documen-tation suivante :

Directives SICC 89-1F. Systèmes de récupération dechaleur. Berne : Société suisse des ingénieurs en

chauffage et climatisation (SICC), 1983. (Source : SICC, CP2327, 3001 Berne)VDI 2071. Récupération de chaleur des installations de cli-matisation. Berlin, Cologne : Beuth Verlag, 1981 (feuille 1),1983 (feuille 2). (Source : librairie)

RC dans des installations industriellesd’évacuation de l’airLes installations industrielles d’évacuation d’air tra-vaillent selon les mêmes principes que les installationsdestinées au confort d’habitations. Dans le vaste domainedes installations relatives aux domaines techniques, la RCa acquis ces dernières années une importance grandis-sante. De ce fait, la technique de commande, le choix desmatériaux, les possibilités d’accumulation ainsi que lesfluides caloporteurs se sont adaptés à cette nouvelledemande.

&

11

Encadré 7

Tableau 6 : Classification des systèmes de RC pour installa-tions de ventilation selon type et catégorie d’après VDI 2071.

Concepts

Récupérateur : échangeur de chaleur, dans lequel l’échangese fait directement à travers les parois de séparation.

Régénérateur : échangeur de chaleur, dans lequel la cha-leur est stockée provisoirement dans un milieu pendantl’échange.

Catégorie I : procédé de récupération avec des surfacesd’échange fixes. D’ordinaire, seule la chaleur sensible esttransmise de cette façon (échangeur de chaleur à surfacesséparatives).

Catégorie II : procédé de régénération avec surfaces sépa-ratives. Un fluide, sous forme liquide ou gazeuse, accumulela chaleur qu’il restitue ensuite.

Catégorie III : système de régénération avec surfaces decontact. Un solide absorbe la chaleur ou l’humidité – ou lesdeux –, et la délivre à nouveau.

Catégorie IV : système pompe à chaleur. On utilise unfluide frigorigène qui, moyennant l’apport d’énergie, trans-met de la chaleur.

Autres processus cf. paragraphe 2.4.☞

Système Type Catégorie

Echangeur à plaques, tubulaire, gaufré Récupérateur I

Echangeur de chaleur àfluide intermédiaire, caloduc

Régénérateur II

Echangeur rotatif Régénérateur III

Pompe à chaleur et autres IV


12

RC /URT des gaz et des liquidesContrairement aux procédés de récupération sur l’éva-cuation de l’air, les possibilités de RC/URT des élémentsliquides (tableau 11) ne forment pas un tout.Dans le cadre des mesures générales d’économie d’éner-gie de ces dernières années, la préoccupation essentielledes ingénieurs s’est portée sur les énormes quantités dechaleur inutilisées et rejetées dans la nature par les tech-niques de refroidissement. Dans ces installations, l’utili-sation de la chaleur des condensateurs peut être réaliséede façon fort simple.

«Installations de refroidissement», annexe A.

Schémas hydrauliquesLa figure 9 montre 4 schémas hydrauliques pour dessystèmes à circuit fermé. Le schéma A présente un opti-mum certain concernant le débit :– Avec un débit trop faible, la puissance transmise est

insuffisante.– Avec un débit trop important, la différence de tempé-

rature ne peut pas être utilisée de façon optimale.Pour les schémas B, C et D, on s’efforcera d’obtenir unréglage optimal des valeurs de consigne du régulateur.En cas d’utilisation de 2 pompes (schémas C et D) le débitdu circuit «source de chaleur» ne doit pas être plus faibleque celui du circuit «utilisateur de chaleur», car la circu-lation pourrait être perturbée dans l’accumulateur.L’optimisation est à calculer en fonction des différentesconditions d’utilisation, et un équilibrage hydrauliqueminutieux de l’installation est indispensable. Ces calculstiendront également compte des frais d’investissementet des énergies d’appoint.

Cahier 1, chapitres 4 et 5

Régulation de la puissanceEn vue de s’adapter aux périodes de transition et pouraboutir à un fonctionnement optimal, il est souhaitabled’asservir la puissance transmise par l’air évacué auxbesoins nécessaires au chauffage de l’air frais. Pour cefaire, la solution la plus fréquente est la pose d’unbypass, côté air extérieur. Un réglage tout aussi judi-cieux sera pratiqué au niveau des caloducs par des cla-pets bypass. La transmission de chaleur par les échan-geurs thermiques rotatifs peut être modifiée au moyend’une commande de vitesse de rotation, afin d’adapterle rendement aux besoins.

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Figure 8 : Description des systèmes d’échangeurs de chaleur:a) Echangeur de chaleur à flux croisé (catégorie I).b) Echangeur de chaleur à fluide intermédiaire (catégorie II).c) Echangeur de chaleur rotatif (catégorie III).d) Caloduc (catégorie II).e) Pompe à chaleur (catégorie IV).

a

c

d

e

b


Risque de formation de gelDans les systèmes de la catégorie II (circuit fermé inter-médiaire et caloducs), la répartition de la températuredans le conduit placé après la RC est pratiquement cons-tante. Par contre, elle devient très irrégulière en pré-sence d’échangeurs thermiques à flux croisés, d’où aug-mentation du risque de formation de gel dans les coins.Les récupérateurs de chaleur rotatifs accusent les tem-pératures les plus élevées dans la zone de rinçage et lestempératures les plus basses dans la partie opposée du«rotor». S’il y a formation de gel, l’échange de chaleurdiminue et la perte de pression au niveau de l’air aug-mente. C’est pourquoi il faut à tout prix éviter une quel-conque formation de gel, ce qui est possible par la posed’un bypass ou d’un système de préchauffage.

ContaminationLa contamination, c’est-à-dire la transmission de pous-sières et /ou d’odeurs, doit si possible toujours être évi-tée, ce qui est le cas dans les systèmes à parois de sépa-ration. Les échangeurs thermiques rotatifs travaillentavec des chambres de rinçage. Selon de toutes récentesmesures, les fuites constatées dans ce type d’échangeurne sont pas insignifiantes.

Energie d’appointTous les systèmes de RC sont actionnés par des élémentsmécaniques qui nécessitent un entraînement électrique.L’utilisation de systèmes d’entraînement dont la vitessede rotation progressive et variable est contrôlée électro-niquement, permet d’adapter la consommation de cou-rant à la puissance nécessaire. Des applications à forteconsommation énergétique, tels que des étranglementsdu côté «processus», ne devraient être utilisés que siaucune autre solution ne peut être appliquée.

DécontaminationDans le cadre d’une exploitation industrielle, les instal-lations de traitement de l’air posent de sérieux problè-mes d’encrassement des appareils par les matières ensuspension dans l’air vicié. Pour y remédier, il est tou-jours possible de poser un filtre, mais cette opérationoccasionne une perte de pression supplémentaire et, dece fait, une augmentation des besoins énergétiques etde surveillance. Lorsque l’air évacué est fortement vicié,la pose de filtres grossiers (cyclones, déflecteurs, chica-nes) avant l’échangeur est recommandée.

13

Figure 9 : Schémas hydrauliques ; la source émettrice « S »peut être en principe un échangeur de chaleur ou une pompeà chaleur.A. Circuit non régulé.B. Circuit régulé.C. Circuit avec accumulateur pour chargement étagé à plu-

sieurs passages.D. Circuit avec accumulateur pour chargement par stratification.

S

η

VVopt

U

S U

S U

S U

Ac

Ac

a

c

d

b


14

Récupérateur Régénérateur à surfaces de séparation fixes Régénérateur àsurfaces de contact

Exemple Echangeur de chaleuravec tube de verre ouplaques

Echangeur de chaleurà fluide intermédiaire

Caloduc Echangeur thermiquerotatif

Dessin

Mode defonctionnement

Flux croisés Echangeur thermique àchoix, les flux d’air peuvent être très éloignés l’un de l’autre

Flux parallèles ou opposés, sans croisement

Flux parallèles ou opposés, sans croisement

Diagramme deMollier

Régulation puissance

Bypass Bypass, vanne de réglage Bypass, inclinaison del’échangeur de chaleur

Changement de vitessede rotation

Risque de gel Relativement élevé encas de flux croisés (répartition inégale de la température)

Faible (régulation de latempérature avec vanne)

Moyen (répartition température homogène)

Préchauffage indispen-sable, si contact avec lazone de brouillard

Echange de fluide Non Non Non, si parois de séparation bien étanches

Peut être élevé, dépendde la différence de pression

Energie d’appoint Non Oui (pompe) Non Oui (moteur d’entraînement)

Parties mobiles Clapets bypass Pompe Clapets bypass, méca-nisme de basculement

Echangeur thermiquerotatif, moteur

Volume deconstruction-typepour 1000 m3/h

1,5 m3 0,5 m3 0,5 m3 0,7 m3

Perte de pressiontypique

150 Pa 120 Pa 120 Pa 150 Pa

Rendement de température

0,40 à 0,60 0,40 à 0,70 0,35 à 0,60 0,50 à 0,75

Coûts spécifiques Plutôt bas, pour faiblesquantités d’air < 10 000 m3/h

Plutôt élevés Moyens Moyens

Tableau 10 : Différents systèmes pour la récupération de chaleur de l’air (respectivement gaz).

ϑ

XSaturatio

n

11

22

21

12

ϑ

XSaturatio

n

11

22

21

12

ϑ

XSaturatio

n

11

22

21

12

ϑ

XSaturatio

n

11

22

21

12

ϑ21 ϑ12

ϑ22

ϑ11

ϑ21

ϑ12

ϑ22

ϑ11

ϑ21 ϑ12

ϑ22 ϑ11

ϑ21

ϑ12

ϑ22

ϑ11


15

Echangeur de chaleur à plaques

Echangeur de chaleurà faisceaux de tubes

Echangeur de chaleur àdouble-manteau et coaxial

Dessin

Construction, principede fonctionnement

Forme compacte, parois deséparation fixes, plaques profilées, plaques étanches etsoudées, vissées au bâti aumoyen d’écrous tendeurs

Changement de phasesolide / liquide, tube à ailettes,pas d’échange de fluides

Changement de phasesolide / liquide, tube à ailettes,pas d’échange de fluides

Domaines d’utilisation Chimie, pharmacie, habitat,technique de l’environnement,industrie alimentaire et desboissons

Condenseur dans les techniques de froid ou dansdes procédés produisant de la vapeur

Condenseur dans les techniques de froid

Matières Acier de construction, acierchrome-nickel, alliage d’alumi-nium, titane, nickel, graphite

Bâti en acier, tubes à ailettes en acier, cuivre, cuivre-nickel,laiton

Acier, cuivre, cuivre-nickel, laiton (tubes)

Caloporteurs Eau, huile glycol, produits chimiques. Vapeur ou gaz : rarement

Eau, vapeur d’eau, fluide frigorigène (fluide de refroidissement)

Eau, fluide frigorigène (fluidede refroidissement)

Entretien, nettoyage Procédé de rinçage ou démontage des plaques (relativement bon marché)

Facile dans les tubes, presquetoujours chimiquement côtémanteau

Facile dans les tubes, presquetoujours chimiquement côtémanteau

Plages de températures Jusqu’à 150°C environ; avec des joints spéciaux:jusqu’à 300°C

Technique de refroidissementjusqu’à 120°C max. ;procédés de vapeur, jusqu’àenviron 300°C

Jusqu’à max.120°C

Caractéristiques De petites à grandes puis-sances, faible poids, très bontransfert de la chaleur, surfaced’échange variable, pièces derechange livrables rapidement

Grandes puissances, tubes àailettes (intérieur + extérieur),bon transfert de la chaleur,gros volumes de fluides caloporteurs

Faibles puissances, faiblesvolumes de fluides calopor-teurs, perte de pression relativement importante

Coûts spécifiques Moyen à élevé Plutôt élevé Plutôt bas

Tableau 11 : Différents processus de récupération de chaleur de l’eau (respectivement de liquides).


Présentation et dimensionsLes échangeurs de chaleur à plaques et les régénérateursrotatifs sont disponibles dans différentes grandeurs défi-nies selon les débits et la place disponible. Les échan-geurs de chaleur à fluide intermédiaire et les caloducspeuvent être adaptés à chaque situation en variant la lon-gueur, le nombre de tubes ou le nombre de rangées detubes. L’intégration dans des monoblocs ou des appa-reils compacts de différentes dimensions est réalisable.

Indications de puissanceLes indications sur l’encombrement, les pertes de pres-sion et le rendement de température figurent au tableau10 ; afin de permettre la comparaison, les valeurs sontdonnées sur la base d’installations dont le volume est de10 000 m3/h d’air frais et 10 000 m3/h d’air évacué. Bienentendu, des différences peuvent apparaître de fabri-cant à fabricant.

2.2 Systèmes de type « récupérateur»

Ce paragraphe traite uniquement des échangeurs dechaleur de type « récupérateur » en relation avec lesapplications de RC et d’URT. Les autres types d’échan-geurs, comme par exemple les échangeurs de chaleurtubulaires, à tubes spiralés, à double-manteau, lescondenseurs, les évaporateurs, etc., qui remplissentsouvent une fonction bien définie dans des opérationstechniques ne sont pas abordés ici.

Echangeurs de chaleur à plaques et à tubes pour l’airLe fonctionnement de cet échangeur de chaleur estsimple à comprendre, puisque les clapets bypass y sontles seules parties mobiles. Dans l’échangeur à plaques,les flux chauds et froids, séparés par des plaques métal-liques, sont placés l’un contre l’autre et faiblement espa-cés. Une transmission d’impuretés, d’odeurs, de bacté-ries ou d’humidité n’apparaît généralement pas, oualors en présence de rapports de pression extrêmes ousuite à l’apparition d’un défaut au niveau de l’échan-geur. L’échangeur de chaleur tubulaire est plus robuste,mais possède une plus petite surface d’échange pour unvolume identique. La figure 12 montre les différencesqui apparaissent entre ces 2 types d’échangeurs ainsique leurs caractéristiques essentielles.Les plaques constituant l’échangeur de chaleur se pré-sentent sous différentes formes, selon l’objectif d’utili-

16

Figure 12 : Echangeur de chaleur à plaques (en haut) et échan-geur de chaleur à tubes (en bas) pour l’air.

Fonctionnement en charge partielle: la régulation de lapuissance est effectuée par la modification du débit mas-sique, au moyen d’un bypass et des clapets de réglage cor-respondant. S’il y a risque de gel, la commande du flux d’airpar clapet bypass est indispensable.

Entretien : dans les installations conventionnelles de clima-tisation et de ventilation, l’entretien doit être effectué à inter-valles réguliers. Si le risque d’encrassement est élevé, desfiltres appropriés seront posés, les entretiens se feront à unrythme rapproché ou un nettoyage manuel sera prévu.

Coût : de tous les échangeurs de chaleur utilisés en tech-nique de ventilation, l’échangeur de chaleur à plaques estcelui qui occasionne le moins de frais d’investissement.

Avantages : prix d’achat avantageux, très rentable pourdes faibles volumes d’air, facile à intégrer dans les mono-blocs, construction compacte.

Désavantage : risque de gel lors de températures exté-rieures basses (en dessous de -5°C).


sation et, surtout, le principe de circulation de l’air :monobloc, profil creux, modules combinables, montageen diagonale posé sur l’angle, démontable pour faciliterl’entretien, etc.Leur domaine d’utilisation concerne les installationsde ventilation de confort usuel ainsi que les hôpitaux,piscines couvertes, complexes sportifs. La séparationdes flux permet également leur utilisation dans les ins-tallations de séchage et de laquage ainsi que pour laventilation des halles industrielles.Les matériaux employés pour la fabrication de ceséchangeurs sont l’aluminium, les matières synthétiqueset l’acier inoxydable.

Echangeurs de chaleur à plaques pour liquidesLes échangeurs de chaleur à plaques sont de conceptioncompacte, d’entretien aisé et résistent à la corrosion.Actuellement on dispose de moyens performants pourl’étanchéité. Des démontages fréquents de ces appareilsà des fins de nettoyage (par exemple dans l’industriealimentaire) sont possibles. Pour des pressions élevées,les plaques seront soudées dans les bords ou auxemplacements de contact. Dans les techniques de refroi-dissement, les échangeurs de chaleur à plaques sont uti-lisables comme évaporateurs ou comme condenseurs(changements de phase) en adaptant leur section de pas-sage. Ce même principe d’exécution est utilisé dansl’URT pour eaux usées fortement polluées.Cet appareil fonctionne selon le principe d’échange dechaleur à travers des parois de séparation fixes, sansmélange de matière.L’échangeur de chaleur se présente sous une formecompacte de par la disposition typique de ses plaques.Elles sont soudées en périphérie ou équipées de joints.L’espace entre les plaques est dû à la structure gaufréede celles-ci. Elles sont incorporées dans un support enfonction du schéma hydraulique désiré et pressées lesunes contre les autres, entre une plaque fixe et uneplaque mobile, au moyen d’écrou-tendeurs (figure 13).L’échangeur de chaleur à plaques est fréquemmentemployé dans les installations de RC/URT, car il offre ungrand facteur d’échange allié à de petits débits et unfaible poids. D’autres propriétés de cet échangeur sontdécrites à l’encadré 14.Les domaines d’application de l’échangeur de cha-leur à plaques sont la chimie, la pharmacie, l’industrie

17

Encadré 14

Figure 13 : Echangeur thermique à plaques pour liquides.

Données techniques des échangeurs de chaleur à plaques pour liquides

Fluides primaire-secondaire : eau-eau, eau-huile, eau-glycol,liquides organiques et inorganiques, rarement gaz ou vapeurTempérature : jusqu’à 150°C avec joints standard 200-300°Cpossible, avec joints spéciauxDébit 5 à 2500 m3/hVitesse du fluide 0,2 à 2 m/sPerte de pression 20 à 100 kPaValeur «k» 2000 à 6000 W/m2KSurface d’échange 1 à 300 m2

Différence de températureprimaire-secondaire 2 à 5 KRendement de température 50 à 90%Pression de service jusqu’à 25 bar environ

Fonctionnement en charge partielle: la régulation de lapuissance est effectuée par la modification de l’un des deuxdébits massiques.Entretien : vu les fortes turbulences dans les canaux desplaques, le risque d’encrassement est réduit. Si nécessaire,le nettoyage peut être effectué à peu de frais avec un sys-tème de rinçage éprouvé. Dans des cas plus compliqués,l’échangeur de chaleur à plaques peut être intégralementdémonté. La conception modulaire de cet appareil permet unremplacement avantageux des pièces détachées.Coût : le prix est déterminé en fonction du principe de cons-truction, des matériaux utilisés et de la surface d’échange.Avantages : construction compacte, pertes de chaleurminimes, petites différences de température, coefficients detransmission de chaleur élevés, adaptation facile aux condi-tions données, bon rapport qualité /prix.Désavantages : nombreux joints, moins bonne aptitudelors de différences de température élevées entre côté pri-maire et côté secondaire, facilement encrassé par des parti-cules solides.


alimentaire, les processus techniques relatifs à l’envi-ronnement et au chauffage. Les échangeurs de chaleurà plaques sont utilisés de préférence avec des liquidesexempts de particules solides, mais il peuvent aussi êtreemployés comme évaporateur ou comme condenseur.Les matériaux utilisés pour la fabrication des échan-geurs de chaleur à plaques varient selon les cas ; leséchangeurs peuvent être en acier, acier inoxydable,alliage d’aluminium, titane, nickel ou graphite. Lesparois de séparation de ces appareils étant minces, leurconstruction exige peu de matière.L’échangeur de chaleur spiralé représente une con-ception particulière d’échangeur à plaques. Il prend tou-jours plus d’importance, spécialement dans le domainede la RC/URT des gaz de combustion, où il représente unevariante appréciée et avantageuse. Ces propriétés sontanalogues à celles d’un échangeur de chaleur à plaques.Sa conception est présentée à la figure 15.

Echangeurs de chaleur tubulairesLes tubes représentent l’élément de base de nom-breuses conceptions d’échangeurs de chaleur. Lesmodèles les plus courants sont les échangeurs à fais-ceaux de tubes et à double-manteau. Les principes deconstruction sont présentés à la figure 16.Le principe de fonctionnement réside dans l’échangede chaleur sur des surfaces de séparation fixes qui peu-vent être agrandies par des canelures ou des ailettes,aussi bien du côté primaire que du côté secondaire. Leprocédé ne donne lieu à aucun échange de matière. Laforme caractéristique de cet échangeur rappelle de ladisposition des tubes dans une chaudière. Le flux estréparti dans les différents tubes. Le point faible du sys-tème réside dans les risques de fuites entre les tubes etle manteau de la chaudière, ce qui peut provoquer unebaisse de rendement importante. Ces fuites proviennentdes tolérances de fabrication, mais aussi de la dilatationthermique différente de chacun des éléments à la tempé-rature de fonctionnement. Des développements récentsont permis de trouver une solution intéressante au pro-blème ci-dessus en utilisant des joints flexibles sur lestôles longitudinales et transversales. Il s’agit de modulesélastiques pouvant être incorporés aux parois de sépara-tion sans être vissés, et qui compensent toutes les tolé-rances et dilatations. D’autres moyens visant à diminuerles fuites vers la base des tubes ont été développés cesdernières années.Son domaine d’application s’étend des techniques derefroidissement jusqu’à la production de vapeur dans

18

Figure 16 : Echangeurs de chaleur à faisceaux (en haut) et àdouble manteau (en bas).

Entretien : nettoyage facile dans les tubes, mais difficile ducôté manteau; la plupart du temps, le nettoyage doit êtreeffectué chimiquement.Coût : les exécutions à faisceaux de tubes et à double man-teau sont plus avantageuses que les modèles en forme de pot.Avantage du modèle « tubulaire» : composants avan-tageux.Désavantages du modèle « tubulaire » : importantvolume de liquide, risques de fuite.Avantages du modèle à «double manteau» : nécessitepeu de fluide de refroidissement, exécution fiable.Désavantage du modèle à « double manteau » : forteperte de pression.

Figure 15 : Schéma de construction d’un échangeur de chaleurspiralé pour liquides.

Sortie fluidefroid

Sortie fluidechaud

Entrée fluide chaud

Entrée fluidefroid


les usines thermiques. Pour les grandes installations, onaura recours à des échangeurs de chaleur à faisceaux detubes classiques, alors que pour des installations moinsimportantes, la préférences est donnée aux modèles àdouble-manteau.Les matériaux utilisés pour les tubes sont l’acier, l’acierinoxydable, le cuivre, un alliage cuivre-nickel ou le laiton.

Utilisation de l’échangeur de chaleur tubulaire comme condenseur dans la production de froidIl existe de multiples possibilités d’utilisation des con-denseurs dans la technique de production de froid. C’estpourquoi il ne sera abordé ici que les condenseursrefroidi par liquide, domaine de la technique du froid quirevêt une importance particulière pour l’URT (figure 17et encadré 18).La surface d’échange de chaleur est composée d’un cer-tain nombre de tubes minces, souvent cannelés sur lesdeux côté, et incorporés dans un manteau de formecylindrique. Pour les condenseurs refroidis par liquide,le fluide frigorigène se trouve autour des tubes, alorsque le fluide de refroidissement passe dans les tubes.L’évaluation thermodynamique et l’optimalisation sontdéterminantes, étant donné les imprécisions de calculdu transfert de chaleur lors du changement de phase.Actuellement, on installe presque uniquement destubes aux caractéristiques excellentes (cannelés à l’inté-rieur et à l’extérieur, cf. figure 19), fiables et résistants,résultat de technologies toujours plus performantes. Unmeilleur rendement et simultanément un volume deconstruction plus compact permettent une réduction dela quantité du fluide frigorigène, ce qui diminue d’autantle risque de pollution en cas de fuite.

Autres utilisations d’échangeur de chaleurde type « récupérateur »L’utilisation d’échangeurs de chaleur sur les gaz d’échap-pement impose l’emploi de métaux spéciaux adaptés auxfluides corrosifs apparaissant lors de la condensation dugaz (chlore, acide fluorhydrique ou acide sulfurique). Enguise d’alternative, des matériaux comme le graphite, lacéramique ou des matières synthétiques peuvent égale-ment être utilisés.Dans la construction d’appareils destinés à la chimie, onrencontre souvent des échangeurs de chaleur en gra-phite, spécialement prévus pour les faibles débits.Récemment, des constructions spéciales modulablesont été développées pour les gros débits de gaz de com-bustion. La transmission de chaleur a lieu par le circuit

19

Figure 19 : Tube pour puissance élevée avec ailettes intérieureset extérieures.

Encadré 18

Données techniques des échangeurs de chaleurtubulaires pour installations de refroidissement

Fluides en général eau et fluidefrigorigène

Plage de températures jusqu’à 120°C environ

Vitesse du fluide 2 à 3 m/s

Valeur «k» 300 à 1200 W/m2

Différence de température(côté eau) environ 5 K

Pression de service jusqu’à 25 bar environ

Fluide de refroidissement

Eau

Eau

Eau




Figure 17 : Forme des condenseurs ; à faisceaux de tubes (enhaut) et à double manteau ou coaxial (en bas).


de l’eau, qui passe à travers les tubes en graphite. Pource type d’application, les échangeurs de chaleur enmatières synthétiques flexibles (PTFE, PFA, PVDF.) peu-vent également être utilisés. Il sont fabriqués dans desgrandeurs modulables et assemblés sur place dans descadres préfabriqués. Les matières synthétiques offrentl’avantage de garantir une grande résistance à la corro-sion et à l’encrassement et sont insensibles aux modesde stockage. Elles peuvent résister à des températuresde fonctionnement de plus de 200°C.Pour des températures dépassant 500°C, on choisirades échangeurs thermiques en céramique, matièrereconnue pour sa résistance à la corrosion et à l’usure.

2.3 Systèmes de type « régénérateur»

Circuits fermésLa transmission indirecte de chaleur au moyen d’un cir-cuit intermédiaire peut se combiner de diverses façonsà d’autres systèmes. L’excédent de chaleur peut êtretransporté en direction de plusieurs points de distribu-tion, placés à des distances différentes. Cette propriétérevêt une grande importance, lorsqu’il s’agit de travauxd’assainissement et de rénovation. Un autre avantagedu système réside dans la flexibilité offerte quant auxpossibilités d’optimalisation (construction d’échan-geurs de chaleur compacts ou par éléments, choix desformes, des dimensions et des répartitions des tubes,choix des surfaces et des matériaux).Selon le niveau de température de la source de chaleur,l’exploitant peut profiter de ces rejets thermiques selon lebut recherché : chauffage d’air froid ou d’eau, ou encore,en cas de rejets thermiques à très haute température,production de vapeur pour des procédés industriels.Le principe du fonctionnement typique de ce sys-tème est représenté par le circuit intermédiaire assurantle transport de chaleur du côté chaud au côté froid(figure 20). Le raccordement hydraulique des deuxéchangeurs permet le transfert de chaleur d’un échan-geur à l’autre. Le fluide caloporteur circulant dans le cir-cuit intermédiaire a un effet régénérateur : il stocke ettransporte la chaleur.Le domaine d’application le plus important de ce sys-tème est la ventilation. Dans les travaux d’assainisse-ment, il représente souvent la seule solution. Dans ce cas,on utilisera de préférence l’échangeur de chaleur àlamelles. Si la température du flux d’air humide s’abaisseau-dessous du point de rosée, la chaleur latente est alors

20

Figure 20 : Circuit intermédiaire avec deux échangeurs de cha-leur séparés.

Fonctionnement en charge partielle: une régulation estassurée par la modification du flux caloporteur (change-ment de vitesse du circulateur, commande équipée d’unevanne à 3 voies). La puissance transmise change égalementen fonction du flux d’air (par exemple dans une installationavec débit variable). Dans le circuit intermédiaire, le débitdoit être optimalisé par rapport à la puissance transmise.Entretien : le nettoyage périodique des échangeurs doitêtre effectué méthodiquement, en veillant à l’ordre d’ali-gnement des tubes, car une inversion peut amener des per-turbations. Si le nettoyage doit être effectué par un systèmeà haute pression, il faut prévoir des lamelles épaisses etrigides. Le risque de corrosion engendré par le fluide calo-porteur dans le circuit intermédiaire doit être contrôlé pério-diquement (inhibiteurs).Coût : pour de petits débits d’air le système à fluide inter-médiaire est relativement cher. Par contre, si l’on a affaire àdes volumes importants, il devient plus avantageux par rap-port à d’autres systèmes, du fait de l’abandon du rappro-chement des circuits d’air frais et d’air évacué et des canali-sations y relatives. Les frais d’entretien et de surveillancesont comparables à ceux de l’échangeur thermique àplaques.Avantages : les flux d’air ou de gaz peuvent être éloignésl’un de l’autre ; les risques de contamination et de fuite sontinexistants ; une connexion (réseau) de plusieurs installa-tions est possible ; idéal pour des assainissements.Désavantage : la surveillance périodique du circuit inter-médiaire est indispensable.


récupérée. Il n’y a pas de mélange entre fluides froids etchauds. En hiver, une protection contre les risques de gelest nécessaire. Le fluide du circuit intermédiaire doitrésister au gel (par exemple solution eau-glycol). Les ins-tallations de ventilation dans le secteur de la productionoffrent de nombreuses possibilités d’application pour detels systèmes.

CaloducsLe principe de fonctionnementdu caloduc (en anglais :«heat pipe») est caractérisé par la circulation différenciéedes gaz et des liquides. Un tube à lamelles étanchecontient un fluide frigorigène (CFC) en phase liquide ougazeuse en fonction de la zone.On distingue deux types de construction :– Le caloduc vertical (thermosiphon à double phase ou

caloduc à gravitation), où la moitié inférieure est miseen contact avec une source de chaleur. Le fluide s’éva-pore, puis monte dans la partie supérieure où il donnesa chaleur et se condense pour retomber dans la par-tie inférieure.

– Le caloduc horizontal (version classique) possède unrevêtement poreux, dans lequel le retour du fluides’effectue par capillarité.

Le domaine d’application s’étend aux piscines cou-vertes, aux hôpitaux, aux techniques de ventilation de labranche textile, aux installations de laquage et deséchage et même aux installations d’évacuation de gaz.Les matériaux utilisés pour sa fabrication sont desalliages d’aluminium et de cuivre. En cas de contactavec des gaz corrosifs, les caloducs seront recouvertsd’une couche de protection.

Echangeurs de chaleur rotatifL’échangeur de chaleur rotatif a été développé vers la findes années 1950 pour des installations de climatisationaméricaines. Depuis longtemps, il fait partie de l’équi-pement standard des installations de ventilation et declimatisation. Il est également très apprécié pour leséquipements industriels, en raison de ses possibilités derécupération de l’humidité (chaleur latente) dans les fluxd’air évacué et les gaz de combustion. Les nouvellesmatières utilisées dans la fabrication des éléments del’échangeur de chaleur rotatif rendent son installationpossible dans une vaste plage de températures.Le mode de fonctionnement de l’échangeur de cha-leur rotatif se distingue par les charges et les déchargespériodiques de la chaleur et de la vapeur dans la massede l’accumulateur. La masse d’accumulation (rotor) a laforme d’un cylindre plat.

21

Figure 21 : Caloducs.

Fonctionnement en charge partielle: le réglage de lapuissance est réalisé au moyen d’un bypass. Le bascule-ment des tubes permet également une régulation limitée.Entretien : les échangeurs de chaleur devant être périodi-quement nettoyés doivent être équipés de lamelles avecgrandes séparations. Lorsque l’air évacué est très sale, pré-voir des filtres.Coût : plus élevé que pour les simples échangeurs de cha-leur à plaques.Avantages : peu d’énergie d’appoint nécessaire, faibleencombrement de montage; avec la répartition homogènede la température, le risque de gel est minime.Désavantages : les deux flux d’air doivent être jumelés; lefluide frigorigène est un facteur de pollution, les rende-ments sont relativement faibles, réduction des possibilitésde réglage lors du basculement.


Cette particularité donne la forme de sa construction.Le rotor tourne lentement ; dans une direction, il est par-couru par de l’air chaud, et dans l’autre direction, par del’air froid (figure 22). Du côté du flux d’air chaud, il sou-tire la chaleur et l’humidité et les transmet au flux d’airfroid. A l’heure actuelle, les rotors sont dotés le plus sou-vent de stries en aluminium ondulé (résistant à la corro-sion) ou de structures gaufrées. Les détails techniquessur les échangeurs de chaleur rotatifs figurent dansl’encadré 23.Il est à noter que la forme géométrique du rotor favoriseles fuites. Une zone de rinçage fonctionnant par dépres-sion évite au maximum le transfert de particules d’airvicié dans l’air pulsé.Ce dispositif entraîne cependant une perte d’énergie,influencé également par l’emplacement des ventilateurspar rapport au rotor.Selon l’utilisation, il est parfois souhaitable d’échangerde l’humidité entre les deux flux d’air. La transmissiond’humidité peut se dérouler de deux façons :– Echange de matière par condensation et évaporation :

avec un rotor non hygroscopique, outre le transfert dechaleur, on obtient un transfert d’humidité que lors-que l’on descend en dessous du point de rosée de l’airhumide (régénérateur à condensation)

– Echange de matière par adsorption et désorption :avec un rotor hygroscopique (par traitement de sur-face) on obtient un transfert de la chaleur sensible(température) et latente (humidité) (régénérateur àadsorption).

Le domaine d’application comprend aussi bien lesinstallations techniques de ventilation dans le secteurdu bâtiment et de l’industrie, que les installations tech-niques des procédés purement industriels. Dans desinstallations où l’air est fortement vicié (cuisines,cabines de pulvérisation, poussière de meulage, chimie,etc.), la pose d’un échangeur rotatif soulève toutefoisquelques problèmes. En fait, les masses d’accumulationhygroscopiques ne conviennent qu’à des milieux pro-pres et inertes.

2.4 Pompes à chaleur et transformateurs de chaleur

Pompes à chaleurUne transmission de chaleur faite uniquement avec unéchangeur de chaleur n’est possible que si la températurede la source de chaleur est plus élevée que la températurenécessaire. Mais l’énergie d’une source de chaleur à plus

22

Encadré 23

Données techniques pour échangeurs de chaleur rotatifsFluide Air, gazPlage de température 0 à 300°CDébit d’air 1000 à 100 000 m3/hVitesse de l’air 1,5 à 3 m/sPerte de charge 50 à 300 PaVitesse du rotor 0 à 10 t /minPuissance du moteur d’entraînement 0,09 à 0,75 kWEncombrement de l’appareil (diamètre) 0,5 à 5,0 mRendement de température 50 à 75%Rendement de l’humidité 15 à 75%

Figure 22 : Echangeur de chaleur rotatif avec zone de rinçage.

Fonctionnement en charge partielle : la puissance trans-mise et, de ce fait, la température de l’air pulsé, sont dépen-dantes de la vitesse du rotor ; cette dernière permet de réglerla température de l’air pulsé. Dans la zone de vitesse d’environ0 à 10 t /min, on obtient les meilleures caractéristiques deréglage. Si la vitesse du rotor diminue, le rendement de l’humi-dité diminue beaucoup plus fortement que le rendement detempérature. D’autres possibilités de réglage existent: com-mutation séquentielle, fonctionnement intermittent, etc.Entretien : nettoyage périodique, contrôle et réglage éven-tuel des joints du côté air. Remplacement de la courroie tra-pézoïdale, selon le degré d’usure. Le graufrage en alumi-nium doit être changé tous les 5 à 10 ans. Si des filtrescorrespondants sont prévus les surveiller et les entretenir.Coût : le prix de l’échangeur de chaleur rotatif est plus élevéque celui de l’échangeur à plaques. Raisons de cette diffé-rence : besoin de place plus important pour le rotor et les gai-nes jumelées pour air frais et air évacué, difficultés de net-toyage, résistance à la corrosion, etc. Les frais d’entretiendépendent du concept de l’installation et de la qualité desfluides.Avantages : transfert de l’humidité ; avec un dimensionne-ment et un fonctionnement optimaux, on obtient un degréélevé de récupération de chaleur.Désavantages : coût élevé des amenées d’air (gaines),fuites d’air, n’est pas indiqué pour le séchage.


basse température peut aussi être utilisée grâce à unepompe à chaleur (abréviation : PAC) qui, en «pompant»,élève le niveau de température.A part l’énergie nécessaire à son entraînement, lapompe à chaleur a besoin d’une source de chaleurappropriée. La qualité de cette source de chaleur déter-minera grandement le choix et les conditions de fonc-tionnement de la pompe à chaleur. Dans le domaine desinstallations de confort, l’exploitation d’une source dechaleur provoque souvent de grosses dépenses, alorsque dans le secteur des arts et métiers et de l’industrie,d’importantes quantités de rejets thermiques sont à dis-position, sans investissement disproportionné pour leurmise en valeur. Lorsque les différences de températureentre le côté « froid» et le côté «chaud» de la pompe àchaleur sont faibles, le coefficient de performance estélevé. Ces dernières années, la pompe à chaleur a faitson apparition également dans les secteurs de l’indus-trie et des arts et métiers. Ses domaines d’applicationsont multiples :– chauffage, ventilation et climatisation ;– chauffage de l’eau ;– production d’énergie intégrée (chaleur-froid-force) ;– procédés de séchage ;– séparation de matières (distillation, condensation) ;– réduction de liquides.La pompe à chaleur peut fonctionner de façon autonomeou faire partie intégrante d’un procédé industriel. Lestypes de construction sont présentés schématique-ment à la figure 24. Avec la pompe à chaleur à compres-sion et la compression mécanique bi-étagée, l’énergienécessaire à l’entraînement sera d’origine mécanique,tandis que pour la pompe à chaleur à absorption et lacompression bi-étagée à jet de vapeur, l’énergie exigéepour l’entraînement sera d’origine thermique.La pompe à chaleur à compressionavec moteur élec-trique obtient un grand succès dans les applicationsdomestiques.

Cahier 1, paragraphe 3.2 ; cahier 3.

Compression bi-étagéeSi au lieu de passer par l’intermédiaire d’un fluide frigo-rigène, on injecte directement la vapeur du systèmedans la pompe à chaleur, on se trouve alors en présenced’un «procédé ouvert» appelé compression bi-étagéeou thermocompression. Dans ce type de compressionmécanique ou thermique, les rejets de vapeur, tels qu’ils

☞

23

Figure 24 : Types de construction de pompes à chaleur (PAC):à processus «fermé» (a, b) et à processus «ouvert» (c, d)a) Pompe à chaleur à compressionb) Pompe à chaleur à absorptionc) à jet de vapeur – compression bi-étagéed) Compression mécanique bi-étagée

Q.

QO.

Condenseur

Organed’étranglement

Compresseur

P

Evaporateur

Organed’étranglement

QO.

Evaporateur

Q.

Condenseur

Générateur

P

Pompe desolution

Absorbeur

QA.

QK.

P

ConcentréCondensat

Condenseur

Alimentation

Evaporateur Compresseurde vapeur

Vapeur

Vapeurd’entraînement

Compres-seur à jetsde vapeur

Vapeur

ConcentréCondensat

Condenseur

Alimentation

Evaporateur

QT.

a

c

d

b


existent par exemple dans un processus d’évaporation,sont amenés par un compresseur à une pression plusélevée. L’avantage de ce système réside dans la sup-pression de l’échangeur de chaleur et des différences detempératures qu’il implique. Le procédé peut être réa-lisé en plusieurs étages.

Transformateurs de chaleurLe mode de fonctionnement des pompes à chaleur est enprincipe bien connu. Par contre, on ne sait pas grand-chose sur les possibilités d’utilisation des transformateursde chaleur. Ils appartiennent pourtant, de même que lespompes à chaleur mécaniques et thermiques, au groupedes systèmes actifs d’utilisation des rejets thermiques.La pompe à chaleur à absorption est en mesure detransformer une partie de la chaleur à basse tempéra-ture en une énergie thermique utilisable, de tempéra-ture moyenne, si un flux thermique de la même impor-tance est amené à un niveau de température élevé.Le transformateur de chaleur effectue le processus dansle sens inverse, puisqu’il utilise de la chaleur à tempéra-ture moyenne et la répartit en deux flux thermiques devaleur identique : le premier, à haute température, peut-être utilisé librement, tandis que le second, à basse tem-pérature, peut-être délivré à un puits de chaleur. L’entraî-nement du transformateur n’exige qu’une faible partd’électricité représentant 1 à 2% d’énergie d’appoint.La figure 25 oppose les deux procédés l’un à l’autre, afinde faciliter la comparaison. Selon ce principe, la chaleurdes processus industriels lourds peut être relevée de 60-110°C jusqu’à 100-160°C, sans apport énergétique sup-plémentaire. On dénombre en Allemagne depuisquelques années déjà plusieurs exploitations du secteurde l’industrie lourde qui fonctionnent selon ce principeet donnent de bons résultats.

Une installation de cuisson rejetant 2 MW d’éner-gie thermique sous forme de vapeur à 96-100°C,

produit, à l’aide d’un transformateur, 1 MW de chaleur à145°C pouvant être réinjectée dans cette même installa-tion de cuisson.

Ingwersen, H. H. (Hrsg.) : Mehrfachnutzung indus-trieller Prozesswärme. Gräfelfing / München :

Resch-Verlag, 1986. (Source : librairie)H. Schnell und B. Thier : Wärmetauscher. Energie-einsparung durch Optimierung von Wärmeprozessen.Essen : Vulkan-Verlag, 1991. (Source : librairie)

&

✎

24

Figure 25 : Comparaison des flux énergétiques d’une pompe àchaleur à absorption et d’un transformateur de chaleur.

Pompes à chaleur Transformateur de chaleur

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

QH = 50%.

QE = 1%.

QE = 1%.

ϑ = 180° C

ϑ = 140° C

ϑ = 80° C

QW = 100%.

QW = 50%.

QW = 50%.

QW = 100%.

QE = Electricité

QH = Flux de chauffage

QU = Flux utile

QW = Flux rejets thermiques

.

.

.

.

ϑ

3. Principes de base


3.1 Rejets thermiques

Les rejets thermiques ont plusieurs origines (encadré26). Pour leur utilisation, il faut faire une distinction entrerejets de chaleur intrinsèques et rejets de chaleur diffus :– Les rejets de chaleur intrinsèques sont liés à des flux

de matière. En font partie principalement : l’air vicié,les flux provenant des gaz de combustion, les fluidesde refroidissement ainsi que la chaleur emmagasinéepar la matière à la sortie d’un traitement. A ce propos,il faut distinguer la chaleur latente (par exemple con-densation) de la chaleur sensible (changement detempérature).

– Les rejets de chaleur diffus sont obtenus principale-ment par rayonnement et convexion de grandes sur-faces (pertes surfaciques des installations, pertes partransmission des bâtiments chauffés).

Recherche et récupération de rejets thermiques sontplus simples à réaliser pour la chaleur intrinsèque quepour la chaleur diffuse. La figure 27 propose une repré-sentation imagée d’un processus général.

25

Figure 27 : Présentation du principe des flux énergétiques et des rejets thermiques d’un processus dans le diagramme de Sankey.

Origines de la formation des rejets thermiques

La production d’une énergie de haute valeur provoque inévi-tablement une énergie de moindre valeur – appelée anergie –à une température et une pression si basses qu’elle ne peutplus être utilisée.Dans les processus de transformation, il existe cependant desrejets thermiques inévitables du point de vue technique, quipourraient être réengagés ultérieurement.Pour des raisons d’économie ou d’organisation, la productionde rejets thermiques – qui en fait pourrait être évitée du pointde vue technique – est souvent acceptée comme telle (mal-heureusement aussi parfois par ignorance ou indifférence!).Enfin, des rejets thermiques se dégagent aussi de l’énergieinjectée dans le procédé (exemple: un produit chauffé quidoit être refroidi).

Seule l’anergie ne peut plus être engagée dans un pro-cédé. Les autres formes d’énergie peuvent être réutili-

sées par l’entremise d’échangeurs de chaleur et de pompes àchaleur!

Encadré 26

Apport d’énergie Chaleur interne Rejets thermiques

Chaleur récupérée et réutilisée

Pertes directes dans

l’environnement

Rejets thermiques intrinsèques

Rejets thermiques diffus

Gaz Liquide Solide

CS CL CS CS CS CL

Energie utile

= chaleur sensible = chaleur latente

Vapeur

Courant

Energie propre au produit

Energie de réaction exothermique

Combustible

Agent énergétique réutilisable

Chaleur nécessaire à la poursuite du procédé

Energie de production et de préparation du produit

Energie de réaction endothermique

CSCL

ë


26

3.2 Echangeurs de chaleur

Transfert de chaleurA la frontière entre deux systèmes ayant des tempéra-tures différentes se produit un échange de chaleur sansqu’aucun travail n’intervienne. L’importance du flux estproportionnelle à la surface d’échange et à la différencede température.

On distingue les processus d’échange suivants :

– Transfert de chaleur sans changement d’état des matiè-res impliquées (par exemple gaz /gaz, liquide / liquide,gaz / liquide).

– Transfert de chaleur avec changement d’état de l’undes deux flux au moins (par exemple évaporation, con-densation).

– Transfert combiné de chaleur et de matière par con-vexion et évaporation (par exemple refroidissementpar vaporisation eau /air).

Le mode de transfert de chaleur et de matière dépend dela direction du flux (flux parallèles, flux opposés ou /etflux croisés) et du genre de surface d’échange.

Il faut différencier :

– Le transfert indirect de chaleur, qui intervient avecdes systèmes à récupération dans lesquels les fluxpassent simultanément en étant séparé par une paroi.

– Le transfert semi-indirect de chaleur, avec dessystèmes à régénération dans lesquels les flux pas-sent alternativement et périodiquement, sans paroi deséparation.

– Le transfert direct de chaleur avec un mélange desflux dans un même local. Ici, la surface de transmis-sion nécessaire se trouve fortement réduite, mais cemode de transmission n’est réalisable que sous cer-taines conditions.

La figure 30 montre le schéma de principe d’un échan-geur de chaleur et fait ressortir l’importance de la direc-tion des flux. A des fins pratiques, l’emploi des formulesde l’encadré 28 est suffisant. Il est impossible d’établirune formule générale pour le calcul du coefficient detransmission de chaleur k, au vu de toutes les interdé-pendances impliquées. En pratique, ce coefficient estdéfini pour chaque cas sur la base de valeurs d’expé-rience ou d’essais. Le tableau 29 donne des valeurs indi-catives pour différentes applications techniques.

Encadré 28

Tableau 29 : Valeurs indicatives pour les coefficients de trans-mission de chaleur.

Formule du transfert de chaleur

Q = k · A · ∆ϑm

∆ϑgr · ∆ϑpe∆ϑm = ——————ln (∆ϑgr /∆ϑpe)

Q = flux de chaleur [W]

k = coefficient de transmission de chaleur [W/m2 K]

A = surface de transmission de chaleur [m2]

∆ϑm = différence logarithmique moyenne de température [K]

∆ϑgr = grande différence de température [K] (cf. figure 30)

∆ϑpe = petite différence de température [K] (cf. figure 30)

Le coefficient de transmission de chaleur k n’est pasune dimension caractéristique de la matière, mais il découlede nombreux facteurs, comme par exemple l’état du fluide(vapeur, gaz, liquide), les propriétés du fluide (densité, pou-voir calorifique spécifique, viscosité, capacité de transmis-sion), les caractéristiques thermodynamiques (pression,température), la vitesse du fluide ainsi que les dimensionset la géométrique de l’échangeur de chaleur.

La différence logarithmique moyenne de température(appelée aussi « longueur thermique») représente la diffé-rence de température moyenne effective dans l’échangeurde chaleur.

.

.

Type k[W/m2]

Eau /eauEchangeur tubulaireEchangeur à double manteau

200 à 1000350 à 1400

Vapeur /eauEchangeur tubulaire (vapeur dans le tube)Evaporateur (vapeur autour du tube)

350 à 1200600 à 1500

Eau /gazEchangeur tubulaireChaudière de postchauffage (gaz dans le tube)

15 à 70

15 à 45

Gaz /gazEchangeur tubulaireEchangeur à double manteau

6 à 352 à 35


Est à recommander comme ouvrage de référence pourl’établissement des calculs :

VDI-Wärmeatlas. Berechnungsblätter für denWärmeübergang. 6. Aufl. Düsseldorf : Verein

Deutscher Ingenieure (VDI), 1991 (Source : Librairie)

Lors d’échange de chaleur, on peut différencier troisprincipes différents de guidage des flux : flux parallèles,flux opposés et flux croisés. L’évolution des tempéra-tures sur la surface d’un échangeur à flux parallèles etopposés est indiquée à la figure 30.Avec des flux parallèles, la température de sortie du fluxchaud est toujours plus élevée que la température desortie du flux froid. Avec des flux opposés et dans desconditions favorables, il est possible d’avoir une tempé-rature de sortie du flux froid plus élevée que la tempé-rature de sortie du flux chaud.L’efficacité de l’échange de chaleur et, par là, le gain dechaleur, dépend en majeure partie de la surface et de lacapacité de transfert de l’appareil. Le gain de chaleurreprésente ainsi le rapport entre la chaleur échangée et ladifférence de température des flux de chaleur avantl’échange de chaleur.A la figure 32, on remarque l’évolution d’un échange dechaleur fictif pour des flux parallèles, opposés et croisés.Concernant les flux opposés, la surface «1» correspondà un rendement de 50%. Si le gain de chaleur dansl’échangeur atteint 80, respectivement 90%, la surfacenécessaire est augmentée d’un facteur 4, respective-ment 9, et les frais d’investissement, respectivement decapitalisation, y relatifs seront plus importants. Les deuxautres courbes montrent les rapports pour flux croiséset parallèles. Le transfert de chaleur est nettement réduitet, à partir du facteur de surface 3, le rendement est pres-que constant.

Pertes de chargeLe fait de compenser les pertes de charge dans les échan-geurs de chaleur, gaines, pièces de forme, filtres, etc.requiert un supplément d’énergie électrique. L’énergied’appoint exigée, fournie par un ventilateur ou unepompe, est calculée selon l’encadré 31.Lors du dimensionnement d’un transformateur respecti-vement d’une installation, l’optimum entre transmissionde chaleur et pertes de pression sera recherché. Le rap-port entre le gain d’énergie thermique et le surplusd’énergie dû aux pertes de charge doit être supérieur à 3.

&

27

Figure 30 : Courbes de température des fluides pour flux paral-lèles et flux contraires.

Encadré 31

ϑ11

ϑ21

ϑ12

ϑ22

ϑ11

ϑ22

ϑ12

ϑ21

ϑ11

ϑ∆gr

0 ASurface d’échange

ϑ12

ϑ22

ϑ∆pe

ϑ11

ϑ∆gr

0 ASurface d’échange

ϑ12

ϑ21

ϑ∆pe

ϑ21

ϑ22

Besoin en énergie d’appoint

V · tF · ∆pWA = —————η

WA = besoin en énergie d’appoint [J]

V = débit volumique [m3/h]

tF = durée du fonctionnement [h]

∆p = perte de pression du système (y compris filtres) [Pa]

η = rendement du système de récupération [–]

.

.


28

Figure 33 : Valeurs initiales et grandeurs caractéristiques pourrécupérateurs de chaleur.

3.3 Grandeurs caractéristiques

Des grandeurs caractéristiques uniformisées sont ras-semblées dans des normes et des directives prévuespour les récupérateurs de chaleur dans les systèmes deventilation (cf. figure 33). Les rendements servent devaleurs comparatives pour différentes applications etpermettent le calcul de la rentabilité. C’est le facteurd’amplification électrothermique, qui permet d’évaluerla mise en valeur de l’électricité dans les installations deRC/URT.

Rendements lors d’échanges de chaleurLes équations d’équilibre d’un échangeur de chaleur,selon les figures 30 et 34, permettent d’obtenir, partransformation :

ηh2 =

ηh2 =

ηh1 =

ηh1 =

Lorsque les flux massiques et les chaleurs spécifiquessont identiques, les trois valeurs caractéristiques sui-vantes sont aussi égales de chaque côté.

Rendement de température

η2 = (ϑ22 – ϑ21) / (ϑ11 – ϑ21)

η1 = (ϑ11 – ϑ12) / (ϑ11 – ϑ21)

Rendement d’humidité

ηx2 = (x22 – x21) / (x11 – x21)

ηx1 = (x11 – x12) / (x11 – x21)

Rendement d’enthalpie

ηh2 = (h22 – h21) / (h11 – h21)

ηh1 = (h11 – h12) / (h11 – h21)

Les rendements sont toujours calculés en référence aufluide à réchauffer. Ils dépendent du type de récupéra-teur de chaleur, du rapport des flux massiques et desconditions d’exploitation. Dans la technique de ventila-tion d’immeubles, la comparaison doit toujours portersur ηϑ2, ηx2 et ηh2

m1 (h11 – h12) / m2 (h11 – h21)

(Q11 – Q12) / (Q11 – Q21)

m22 (h22 – h21) / m1 (h11 – h21)

(Q22 – Q21) / (Q11 – Q21)

Facteur d’agrandissement des surfaces F

0 2 4 6 8 10

1,00

0,80

0,60

0,40

0,20

0,00

Flux opposé

Flux croisé

Flux parallèle

Ren

dem

ent

Figure 32 : Rendement en fonction du facteur d’agrandisse-ment de surface (fluide et débit massiques pareils de chaquecôté, valeur k constante).

Ren

dem

ent d

e te

mpé

ratu

re η

ϑ2R

ende

men

t d’h

umid

ité η

x2

Débit volumique m2 Débit volumique m1 resp. m2

Diff

éren

ce d

e pr

essi

on ∆

p 1 r

esp.

∆p 2

m2 / m1 = 1

m2 / m1 < 1

m2 / m1 > 1

Valeurs initiales

Flux massique [kg/s]Température [°C]Enthalpie [kJ /kg]Pression [Pa]En complément pour des fluides gazeux:Quantité de vapeur d’eau ou d’humidité [g/kg]

Grandeurs caractéristiques

Rendement de la température [–] (SICC 89-1, VDI 2071)Rendement de l’humidité [–] (SICC 89-1, VDI 2071)Rendement de l’enthalpie [–] (SICC 89-1)

F = k · A / c · mk = valeur k [W /m2K]A = Surface d’échange [m2]c = chaleur spécifique [Ws /kg K]m = Débit massique [kg / s]

.

.


29

Amplification électrothermiquePour vaincre les résistances à l’écoulement, les installa-tions de RC/URT sont équipées de ventilateurs et depompes entraînés électriquement. Les composants doi-vent être dimensionnés et actionnés de manière à ceque l’on gagne le plus de chaleur possible en engageantle moins d’électricité possible. Ce rapport, appelé rap-port d’amplification électrothermique (AET) est repré-senté à la figure 35. Ainsi, il est tenu compte de laconsommation électrique de tous les éléments impli-qués dans le gain de chaleur. Ce dernier est calculé surla base des heures de fonctionnement et des rende-ments, selon tableau 37.

Une installation de ventilation pour bureau, dontla consommation de chaleur se monte annuelle-

ment à 98 980 kWh est divisée, en simplifiant, en troisétats de fonctionnement :– Etat 1 : 1150 h à 12 000 m3 /h ;– Etat 2 : 1150 h à 8 000 m3 /h ;– Etat 3 : 1030 h à 6 000 m3/h.L’installation de RC est un échangeur de chaleur à fluideintermédiaire, le caloporteur étant une solution eau /gly-col. Au tableau 36, un calcul de modèle montre lesvaleurs obtenues avec une pompe de circulation à unevitesse et une pompe fonctionnant avec variateur devitesse électronique (variateur de fréquence). Lesvaleurs AET calculées sur cette base présentent desgrandeurs différentes pour les deux exécutions : AETune vitesse = 85 100 kWh/3340 kWh = 25,5AETcontinu = 86 600 kWh/2860 kWh = 30,1Avec un entraînement géré de manière optimale, ongagne davantage de chaleur et on consomme moinsd’électricité.

3.4 Dimensionnement et optimalisation

Prudence face aux indications de rendement de température !Dans la pratique, on utilise fréquemment le rendementde température par mesure de simplification. En fait, iln’est valable que pour des flux identiques, des capacitésde chaleur spécifiques analogues et sans changementsde phase. Si les valeurs réelles diffèrent de ces indica-tions, des erreurs surviennent. Deux exemples illustrentces propos :

✎

Air neuf(AN)

21 22

12 11Air rejeté

(AR)

Air soufflé(AS)

Local

Air évacué(AE)

Air recyclé(AC)

11 =côté émetteur de chaleur, entrée12 =côté émetteur de chaleur, sortie21 =côté récepteur de chaleur, entrée22 =côté récepteur de chaleur, sortie

Figure 34 : Système de récupération de chaleur [source : SICC-directive 89-1].

Figure 35 : Amplification électrothermique (AET).

*ou économie d’énergie fossile correspondante

récupération de chaleurAET = —————————————————————————

électricité utilisée pour cette récupération de chaleur

Tableau 36 : Récupération de chaleur (RC) et consommationélectrique (El) pour une pompe de circulation à 1 vitesse et unepompe de circulation en marche continue.

Position Echangeur dechaleur à fluide

intermédiaire avecpompe à 1 vitesse

Echangeur dechaleur à fluide

intermédiaire avecpompe en marche

continue

RC [kWh] El [kWh] RC [kWh] El [kWh]

1 39 480 1 930 39 480 1 840

2 28 690 870 28 740 720

3 16 930 540 17 930 300

Total 85 100 3 340 86 160 2 860

Electricité Amplificateurélectrothermique Chaleur*


Grâce au système de RC, une partie des rejetsthermiques provenant de l’air évacué d’une pis-

cine couverte est transmise à l’air pulsé. Les quantitésd’air pulsé et évacué sont identiques. Les indicationssuivantes sont données :

• Température de l’air évacué = 32°C ; humidité = 15 g /kg

• Température extérieure = -10°C ; humidité = 1 g /kg

Par la RC, l’air extérieur est chauffé à 21,5°C. Par contre,pour une enthalpie identique, l’air évacué n’est refroidiqu’à 14°C. Si l’on considère les rendements de tempé-ratures, les chiffres ci-dessus font ressortir les valeurssuivantes :ηϑ1 = 43%ηϑ2 = 75%Malgré des quantités d’air identiques, les rendementssont différents, car en franchissant le point de rosée, dela condensation s’est formée et a libéré de la chaleurd’évaporation. C’est pourquoi le refroidissement d’unair humide est moins important que le refroidissementd’un air complètement sec.

Pour le préchauffage de l’eau d’une tannerie, onutilise les rejets thermiques des eaux évacuées à

une température de 35°C à travers un échangeur de cha-leur tubulaire où 5 m3/h sont refroidis de 35 à 23°C et 3m3/h sont chauffés de 8 à 28°C.Les rendements des températures se montent alors à :ηϑ1 = 44%ηϑ2 = 74%Le résultat ainsi obtenu est naturellement faussé, étantdonné l’inégalité des flux massiques.

Suite aux débits différents, aux capacités de cha-leur spécifiques inégales et aux changements de

phase, il est indispensable d’utiliser la formule du ren-dement d’enthalpie.

Récupération annuelle de chaleurPour les installations de ventilation, on ne peut pas sebaser, comme pour les autres installations de techniquesénergétiques, sur un état de charge constant, car cettecharge évolue en fonction de la courbe sinusoïdale repré-sentant l’état de l’air extérieur pendant l’année (figure38). Le calcul du gain annuel de chaleur récupérée peutêtre établi à l’aide de la moyenne des températures men-suelles à l’emplacement du système de RC, ou par l’inter-médiaire des statistiques de température et d’humidité.Ces statistiques peuvent être obtenues auprès de :

✎

✎

30

Ventilateurs ηv

Ventilateur radial– à ailettes recourbées vers l’avant– à ailettes recourbées vers l’arrièreVentilateur axial à ailettes performantesVentilateur à visVentilateur mural simple

0,650,830,850,800,60

Moteurs ηM

Rendement global η = ηv · ηM

0,2 kW0,5 kW0,8 kW1,2 kW5 kW10 kW20 kW50 kW100 kW1000 kW

0,630,700,730,780,850,880,900,920,930,95

Tableau 37 : Rendements de moteurs et de ventilateurs.

Figure 38 : Valeurs moyennes pour enthalpie, température ethumidité de l’air extérieur.

Enthalpie h21

Température ϑ21

Humidité absolue X21

50

40

30

20

10

0

20

15

10

5

0

-5

10

8

6

4

2

0J F M A M J J A S O N D

h21kJ/kg

ϑ21° C

X21g/kg

ë


SIA-Documentation DO12 : Meteodaten für dieHaustechnik. Zurich : Société suisse des ingé-

nieurs et architectes (SIA), 1987. (Source : SIA, case pos-tale, 8039 Zurich)Directives SICC 83-2F : Calculation des coûts d’exploitationdes installations de traitement de l’air. Berne : Sociétésuisse des ingénieurs en chauffage et climatisation (SICC),1983. (Source : SICC, case postale 2327, 3001 Berne).

Le gain annuel de chaleur servant à l’évaluation de larentabilité des installations dépend non seulement desconditions météorologiques, mais également des carac-téristiques de l’air évacué, du volume des flux avec lesdurées d’exploitation correspondantes, de la tempéra-ture maximale de l’air pulsé (et éventuellement del’humidité) ainsi que du système de RC choisi (figure 39).La courbe sinusoïdale du comportement annuel de l’airextérieur révèle que le gain momentané est soumis à defortes fluctuations. A noter que l’état de l’air évacué estpratiquement constant tout au long de l’année.La figure 40 sert de base à une estimation annuelle del’énergie pour 24 heures de fonctionnement journalier.Pour convertir les rendements et les durées d’exploita-tion, on peut se servir des formules suivantes :

q nouveau =

qnouveau/ancien = quantités de chaleur spécifique[kWh/a pour 1000m3/h d’air]

f = facteur de correction 0,87 à 1,04 [–]

η2nouveau/ancien = rendement [–]

tE = nouvelles durées quotidiennesd’exploitation [h]

Le facteur de correction « f» tient compte de la situationet du nombre d’heures d’exploitation. Il peut se situerentre 0,87 (heures d’exploitation : de 7 h à 17 h) et 1,04(heures d’exploitation : de 18 h à 24 h).Pour les installations indépendantes des températuresextérieures et lorsque les conditions d’exploitation sontconstantes, le calcul du gain annuel de chaleur nécessitepeu de données sur les conditions d’exploitation de lasource de chaleur.

fqancien · η2nouveau · tE

η2ancien · 24 h

31

Tableau 40 : Récupération de chaleur pour 12 h de fonctionne-ment sans transfert d’humidité pour 1000 m3/h.

Figure 39 : Récupération de chaleur pour différents rendementsen régime sec (ϑ11 = 20°C ; 30 h.r. ; x11 = 4,5 g /kg) [source : SICC-directive 89-1].

η =

50

55

60

65

7

0%

30000

25000

20000

15000

1000012 14 16 18 20 ϑAS, max [° C]

Ene

rgie

réc

upér

ée a

nnue

llem

ent (

chal

eur)

en

kWh

pour

100

0 m

3 /h

d’ai

r, p

ar a

nnée

Service continu 24 h/jLieu : Zurich

Rendement constant entre 0° C et 20° C

ϑAR = 20° C, 30% h.r.

Cas A Cas B

Température air évacuéTempérature air souffléRendementFonctionnement

20°C20°C60%7 – 19 h

Récupérateur I 9,2 MWh/a

24°C24°C60%7 – 19 h

12,3 MWh/a

Récupérateur II 9,2 MWh/a 12,3 MWh/a

Récupérateur III 9,4 MWh/a 12,5 MWh/a

&


OptimalisationUn système RC/URT peut être optimalisé au moyen descritères suivants (figure 41) :– énergie maximale nette récupérée ;– gain financier maximum (le plus grand rendement du

capital).Le gain maximal net d’énergie récupérée, comparé augain financier maximal, est obtenu par un rendementannuel élevé. Les investissements augmentent propor-tionnellement au gain, respectivement au rendement.La durée de vie d’une installation de RC est évaluée nor-malement entre 10 et 20 ans.

Récupération maximale nette d’énergieLors de l’établissement des calculs d’optimalisation, res-pectivement du choix des installations de RC / URT,l’énergie récupérée maximale nette devrait être détermi-nante. Dans cette opération, le coût supplémentaire del’énergie d’appoint et de l’énergie additionnelle doit êtresoustrait de l’énergie récupérée (cf. aussi encadré 42).

Gain financier maximalDans ce calcul, les frais d’exploitation et les frais d’inves-tissement doivent être optimalisés.Des vitesses d’air élevées dans l’échangeur autorisentcertes des appareils, respectivement des investisse-ments plus petits, mais requièrent très souvent uneconsommation d’énergie d’appoint considérablementplus grande. De ce fait, le profit net et la rentabilité dimi-nuent, spécialement lors d’augmentations du prix del’énergie.Si la durée d’exploitation d’une installation est courte(par exemple provisoire), la durée de vie doit être priseen compte dans les calculs d’optimalisation. Dans cecas, le rendement minimal exigé par la loi sur l’énergieest souvent suffisant.

A notre connaissance, aucun logiciel d’optimali-sation de systèmes RC/URT n’est disponible sur

le marché. Par contre, certaines entreprises proposentleurs services pour le calcul du besoin énergétiqueannuel, du gain énergétique net récupéré par année etdu rendement (par exemple Konvekta AG, St Gall).

<

32

Encadré 42

Récupération nette d’énergie

Elle se calcule sur la base de l’énergie totale récupérée (cha-leur) ERCTOT, de laquelle on déduit la consommation électri-que de l’énergie d’appoint (ventilateurs, pompes, entraîne-ments) WA et le besoin énergétique pour les fuites d’air WFA.Si la période d’observation dure une année, on obtiendrades valeurs annuelles.ERCN = ERCTOT – WA – WFA

Rendement moyen selon SICC 89-1

Le rapport entre l’énergie annuelle nette récupérée ERCN etle besoin global annuel en énergie QTOT, donne le rende-ment η de l’installationη = ERCN / QTOT

Fr.

Rendement annuel

Rendement annuel

Rendement minimum admispar la loi sur l’énergie

Frais d’investissement

kWh resp. Fr.Solution intermédiaire

Récupération nette d’énergie

Bénéfice financier

Figure 41 : Représentation qualitative des critères d’optimali-sation [source : SICC-directive 89-1].


3.5 Rentabilité

Les systèmes de RC/URT apportent de substantielleséconomies d’énergie mais provoquent des frais d’inves-tissement et des dépenses supplémentaires. Seul uncalcul de rentabilité permet de déterminer la solutionoptimale.La rentabilité sera déterminée en fonction des fraisannuels. Ils sont constitués des frais de capitalisation(provenant des investissements et des taux d’intérêts),des frais d’exploitation (surveillance, entretien) et ducoût de l’énergie (proportionnel à la consommationd’énergie et soumis au prix spécifique de l’énergie). Encas de variantes multiples, on choisira celle qui pro-voque le moins de frais annuels.Au tableau 44, on trouve un résumé des frais d’investis-sements relatifs concernant différents composants deRC/URT des installations de ventilation. Les frais d’ex-ploitation, par rapport aux frais d’installation, sont pré-sentés au tableau 45.

Exemples dans l’appendice B.

Il faut tenir compte principalement du coût des énergieséconomisé et supplémentaire.Les frais issus des investissements supplémentairessont les suivants :– appareils (échangeur de chaleur, filtre, régulation, gai-

nes et conduites) ;– raccordements électriques et sanitaires ;– volume occupé plus important ;– dispositions architecturales complémentaires ;– honoraires.En regard, on place les économies de frais, par exemple :– production d’énergie (chaleur et froid) ;– distribution de l’énergie (gaines, conduites plus petites) ;– abandon du préchauffage (y compris raccordements

et régulation).L’influence des critères énumérés plus bas sur la renta-bilité à long terme d’une installation de RC/URT doitêtre appréciée après une analyse sérieuse :– prix de l’énergie ;– évolution du prix de l’énergie ;– échelonnement des amortissements ;– frais d’investissements (surtout des investissements

supplémentaires) ;– frais d’exploitation (énergie et entretien).

☞

33

Tableau 45 : Durée d’utilisation et charges d’exploitation desystèmes de RC.

Tableau 44 : Classement des coûts relatifs pour différents sys-tèmes d’échangeurs de chaleur (selon l’importance duvolume, le classement varie).

Tableau 43 : Energie électrique en % de la récupération de cha-leur de différents systèmes RC /URT.

Système RC Energie électrique

Pompe, moteur Ventilateur

Systèmes à air : RécupérateurA fluide intermédiaireCaloducRégénérateur

—1 à 3%

—0,2 à 2%

3 à 6%3 à 7%3 à 5%2 à 4%

Systèmes à eau : RécupérateurA fluide intermédiaire

< 1%< 1%

——

Echangeur de chaleur Coûts pourpetits volumes

d’air

Coût pourgros volumes

d’air

Echangeur à plaques Plutôt bas —

Echangeur rotatif Moyen Moyen

A fluide intermédiaire Plutôt élevé Plutôt bas

Type Utilisation[années]

Entretien[%]

Service[%]

Echangeur thermique à plaques– Aluminium– Matière anti-corrosive

1020

11

22

A fluide intermédiaire 20 2 2

Echangeur de chaleurrotatif à surfaced’absorption

12 4 3

Echangeur de chaleurrotatif à surface traitée

20 3 3

Pompe à chaleur 10 4 3


Connaître le gain énergétique net représente le cri-tère de base de chaque optimalisation des sys-

tèmes de RC/URT. Pour les installations de ventilation,les directives de la SICC recommandent une vitesse desflux inférieur à 2 m/s sur la surface active d’échange. Desconsidérations énergétiques recommandent de ne pasdépasser les vitesses de 2,5 m/s (pour récupérateurs etcircuits fermés) et de 3 m/s (pour les échangeurs rota-tifs).

Lors de l’établissement d’un calcul de rentabilité classi-que, les conséquences sur l’environnement ne sont pasprises en compte. Ces dernières peuvent se traduire, ence qui concerne les différents agents et systèmes éner-gétiques, par des augmentations de prix spécifiques etpeuvent être incorporées sous cette forme dans le cal-cul de rentabilité. Des exemples de majoration des prixde l’énergie et d’autres indications concernant le calculde rentabilité se trouvent dans :

RAVEL, une économie d’argent. Guide pratiquepour les calculs de rentabilité. Berne : Office fédé-

ral des questions conjoncturelles, 1991. (Source : Officecentral fédéral des imprimés et du matériel, 3000 Berne)

&

34

ë

4. Planification

4. Planification

4.1 Aide-mémoire RAVEL

Commencer par réduire la consommationd’énergie !Chaque exploitation industrielle ou artisanale se voitconfrontée tôt ou tard à une analyse de sa consomma-tion d’énergie. C’est le moment propice pour envisagerune politique de RC ou d’URT (encadré 46). Avant deprendre des mesures au niveau de la construction et desinstallations, il faudrait avoir épuisé toutes les possibili-tés en vue de réduire les besoins énergétiques.

Utilisation de l’aide-mémoire RAVELAfin de réaliser une procédure systématique, RAVEL adéveloppé un aide-mémoire2) des producteurs (sources)et des consommateurs (utilisateurs) permettant de trou-ver les meilleures connexions possibles entre ces deuxparties, selon des critères thermodynamiques et tech-niques.

Formulaires et explications dans l’appendice D.

La situation de départ des utilisations de RC/URT peutêtre répartie selon l’encadré 47. La prise en compte dessources et des utilisateurs dans de nouvelles installa-tions est toute théorique, tandis que pour des installa-tions existantes, on dresse sur place un inventaire dessources et des utilisateurs. La liste des utilisations estformulée comme suit :– utilisateurs internes au processus (RC) ;– utilisateurs internes à l’exploitation (URT interne) ;– utilisateurs externes (URT externe).Des exemples de classification systématique sont citéesà la figure 48 et dans les tableaux 49 et 50.Dans des cas évidents (1 à 2 paramètres «source-utili-sateur»), avec un peu d’expérience et en s’appuyant surles dimensions des raccordements, les possibilités sontrapidement établies. Là où plusieurs possibilités restentouvertes, on choisira la meilleure liaison entre source etutilisateur à l’aide de plusieurs équations comparatives(matrice de mise en réseau).En conclusion, il faut naturellement se poser la questionsuivante : n’existe-t-il pas d’autres combinaisons pourparvenir à un système global encore plus performant?

☞

35

Instructions générales pour la planification

La réduction du besoin énergétique diminue les atteintes àl’environnement. Contrairement à d’autres mesures de pro-tection de l’environnement, une économie d’énergie finaleentraîne aussi une économie financière.Dans de nombreux cas, des avantages indéniables résultentde l’association directe entre les mesures de protection del’environnement et les techniques d’utilisations de la cha-leur (par exemple par la récupération des fluides frigorigè-nes diminue les rejets de vapeur de fluide dans l’atmosphèreet permet une récupération de la chaleur de condensationdes fluides).Des systèmes modernes de gestion de chaleur permettentd’optimaliser des procédés énergétiques au moyen de cou-plages rationnels.En plus des périodes d’amortissement, d’autres effets sontà relever. Une utilisation plus judicieuse de l’énergie peut setraduire par exemple par la mise au repos d’une chaudièreou son remplacement par un modèle plus petit (exemple:lors de la substitution d’une grande chaudière par un petitincinérateur de déchets, non seulement on réduit les pertesdues aux mises en marche, mais on évite les frais d’élimi-nation des ordures).La diminution des besoins énergétiques entraîne en généralune baisse de puissance des installations de refroidisse-ment. En optant pour des systèmes de refroidissement fonc-tionnant sans eau, on comprime les frais de refroidissementet les frais d’évacuation des eaux usées.Il existe actuellement un large choix de systèmes d’échan-geur de chaleur, de composants et d’installations de récu-pération de chaleur. Les systèmes existants permettent desatisfaire aux plus hautes exigences en matière de sécurité(installations, produits, environnement).

Encadré 46

Encadré 47

2) Brunner Robert : WRG/AWN-Chekliste. Materialen zu RAVEL.Office fédéral des questions conjoncturelles, 3003 Berne, N° decommande 724.397.31.52 d, 1992 (n’existe qu’en langue alle-mande).

Situation de départ pour des concepts de RC/URT

Nouvelles installations : conditions optimales, indépen-dantes de l’existant. Une connexion libre des sources dechaleur et des récepteurs est possible.

Raccordement d’une nouvelle installation à une ins-tallation existante : cette dernière pose les conditions-limites au point de jonction. De toute façon, les besoins derénovation de l’installation existante doivent faire l’objetd’une analyse minutieuse.

Assainissement : c’est l’installation existante qui pose lesconditions-limites. C’est pourquoi la situation de départ doitêtre définie par des mesures individuelles ciblées et fairel’objet d’une analyse fouillée.

4. Planification

36

Si le nombre de paires «source-utilisateur» devient trèsimportant, la mise en valeur manuelle se révèle très dif-ficile. Reste alors l’éventualité de se concentrer sur leflux d’énergie le plus important et de développer unconcept sommaire de l’installation. Certaines exploita-tions plus complexes ne peuvent être optimaliséesqu’au moyen d’un système informatique.

Méthode du pincement à l’appendice C.

La solution étudiée est présentée de façon sommairedans un schéma de flux énergétiques. Après avoir éla-boré un concept technique, il faut encore s’attacher àétudier les aspects économiques.

Paramètres « source-utilisateur »Ces paramètres décrivent les aspects relatifs à l’énergieet aux propriétés physico-chimiques des fluides (enca-dré 51). Les moyens de transmission des rejets ther-miques par fluide caloporteur, ainsi que les valeurs ther-modynamiques et les propriétés de la matière, sontautant de critères d’appréciation pour évaluer le coût dela transmission et le degré de valorisation des rejets ther-miques. La composition des fluides donne une indica-tion sur les risques de corrosion et l’apparition éven-tuelle de condensation dans les appareils de RC/URT.

Paramètres de connexion en réseauLes paramètres de connexion en réseau permettent unchoix sommaire des paires source-utilisateur optimales :Différence de température : les rejets thermiquesdevraient être reliés au côté «utilisateur» de telle façonqu’une véritable transformation exergétique puisseavoir lieu. Un flux de rejets thermiques peut alimentersuccessivement plusieurs utilisateurs dont la tempéra-ture est décroissante (encadré 52).Rapport entre offre d’énergie et besoin d’énergie :plus l’offre d’énergie d’une source est élevée, plus l’uti-lisation s’avère payante. L’offre utilisable dépend desexigences de la demande (encadré 53).Pointes de puissance de l’offre et de la demande :si les consommateurs demandent approximativement lamême puissance, une adaptation synchronisée ne posepas de problème. Indépendamment de ce facteur, la puis-sance doit être interprétée comme une énergie moyennedurant un laps de temps donné. Les accumulateurs repré-

☞

Figure 48 : Plages de températures usuelles des sources et desutilisateurs de chaleur.

Tableau 49 : Niveaux de températures typiques des rejets ther-miques dans différents secteurs industriels.

Branche Niveau detempérature desrejets thermiques

Habitat (secteur confort) en dessous de 50°C

Production d’énergie (usines électriques) en dessous de 50°C

Métallurgie et industrie desmachines plus de 300°C

Production de matériel de construction plus de 300°C

Industrie textile 50 à 300°C

Industrie du papier et du carton 50 à 300°C

Industrie chimique de 50 à 300°C et plus

Industrie des denrées alimentaires en dessous de 50°C50 à 300°C

Sources de chaleur Utilisateur de chaleur

Plages de températures usuelles

Rejetsindustriels

Procédésindustriels

Rejetstechniques

Séchage

Circuits derefroidissement

Air évacuédes locaux

Préparationd’eau chaude

Air neuf

Plan d’eau

Installationsde ventilation

Nappephréatique

Chauffagede locaux

+1000° C

+100° C

+200° C

+50° C

+80° C

+10° C

+25° C

+5° C

+35° C

-15° C

+20° C

±0° C

+15° C

+10° C

+500° C

+250° C

+250° C

+50° C

+80° C

+40° C

+25° C

+5° C

+25° C

+5° C

4. Planification

sentent un moyen approprié pour absorber des pointesde puissance (encadré 55).La puissance fournie par la source et la puissancedemandée par l’utilisateur fluctuent dans le temps géné-ralement indépendamment l’une de l’autre. L’utilisationsera d’autant plus rentable si l’on parvient à une syn-chronisation de l’offre et la demande, comme c’est le casdans la récupération de chaleur. Dans la plupart des cas,ce principe l’emporte d’ailleurs sur les autres solutions.Distance entre source et utilisateur : le principe del’utilisation de rejets thermiques repose sur le transportd’un fluide caloporteur. Il s’agit là d’un moyen de trans-mission énergétique très coûteux, par rapport à celuides combustibles et du courant. On veillera à ne pasdépasser certaines distances maximales afin d’assurerla rentabilité du système (encadré 54).

37

Encadré 51

Paramètres des sources et des utilisateurs de chaleur

Energie et puissanceLa puissance d’une source de chaleur dépend, lors d’une transformation énergétique, de la consommation du combustible et dupourcentage de perte. Pour la source de chaleur, la valeur moyenne de la puissance sera définie en fonction de l’énergie délivréedans un intervalle de temps caractéristique. L’évolution de la puissance dans le temps est indispensable à une optimalisationd’installation. Pour les utilisateurs de chaleur, il faudra définir les valeurs de besoin correspondantes.

TempératuresLa température à la sortie de la source de chaleur devrait atteindre un niveau minimum d’utilisation. Elle ne doit pas être supé-rieure à la température d’utilisation mais quelques degrés au-dessus de la température minimum d’alimentation de l’utilisateur.Le tableau 49 présente quelques niveaux de température typiques des rejets thermiques. Pour des renseignements plus précis etdans des cas-limites, un relevé de l’évolution des températures dans le temps doit être établi. Dans des systèmes convectifs etdu côté des utilisateurs de chaleur, il faut relever les températures de l’aller et au retour.

Heures de fonctionnementDes heures de fonctionnement annuel les plus élevées possible et des cycles de marche suffisamment longs devraient être fixés.L’idéal est un fonctionnement continu.

Transport de la chaleurUn système à convection pour le transport de la chaleur est la solution la plus appropriée. Dans le cas d’une émission de chaleurdiffuse, un processus de collecte et de concentration est nécessaire. Du point de vue technique l’eau et l’air sont des caloporteursadéquats.

Propriétés physiques et composition chimique du fluide caloporteurSi les propriétés physiques du fluide caloporteur diffèrent fortement de l’eau respectivement de l’air, il n’est en principe pas pos-sible d’utiliser des éléments standards. Il est important de connaître la composition chimique exacte du caloporteur, vu les risquesde corrosion et d’encrassement des gaines, conduites et échangeurs de chaleur. Les solutions homogènes, dispersées ou enfumée ne posent pas de problème. Les substances chimiquement inertes sont idéales. Des mesures de précaution sont à prendrepour les matières corrosives, inflammables ou explosives. Les matières toxiques ou contaminées par des agents pathogènes nedoivent sous aucun prétexte entrer en contact avec des êtres vivants ni être rejetées dans l’environnement. Dans des installationsde procédés techniques, l’air évacué se trouve souvent chargé de particules qui contribuent à l’encrassement des échangeurs dechaleur. Les dépenses d’entretien sont à évaluer. La corrosion et l’encrassement par des matières polluantes peuvent conduire àla mise hors service prématurée d’une installation de RC/URT.

Vecteur énergétique Tempé-rature

[°C]

Pression

[bar]

VapeurVapeur surchaufféeVapeur saturéeVapeur

400105100

101,21,01

Eau surchauffée

Eau surchaufféeEau de chauffage

180 /14090 /70

252,5

Eau sanitaire Eau chaude sanitaire 70 /50 1,5

Eau de refroidis-sement

Eau potable sanitaireEau de circuit intermédiaire

4026 /3280 /60

466

Huilethermique Chauffage d’appoint 250 /200 3

Tableau 50 : Exemple de répartition du besoin de chaleur selonle vecteur énergétique, la température et la pression.

4. Planification

38

Autres aspects de connexion en réseauCompatibilité de durée de vie des composants del’installation : les installations de distribution de cha-leur et les installations d’utilisation de chaleur devraientavoir une durée de vie équivalente. La distribution, sur-tout à des tiers, exige une disponibilité à long terme desrejets thermiques.Séparation de substances : dans les installations deprocédés techniques, l’air évacué joue le rôle du fluidetransporteur de chaleur et de matière (humidité lors duséchage, substances polluantes et poussières dans lesprocédés de décontamination). Lors de l’échange dechaleur, il faudrait éviter le retour des matières dans l’airpulsé. A cet égard, l’échangeur de chaleur rotatif peutposer un problème: pour l’échangeur de chaleur à sur-faces de séparation, l’étanchéité doit être garantie pourles pressions de service. En principe, on devrait dispo-ser d’une pression d’air frais supérieure à la pression del’air évacué. Les mêmes réflexions sont valables en vuede stopper la propagation d’agents pathogènes depuisl’air évacué jusqu’à l’air pulsé. Si des agents polluantsou nocifs sont détectés, il vaut alors mieux fermer le cir-cuit.

Critères de rentabilitéComme base de décision pour les investissements, ilfaut analyser le potentiel des rejets thermiques techni-quement utilisables par rapport à ceux économique-ment défendables. Pour cela, on appliquera différentsprocessus, selon l’importance du projet.Sur le plan pratique, l’échelle des valeurs thermodyna-miques se situe plutôt à l’arrière-plan. La mise en rap-port des économies et des coûts permet d’évaluer lavaleur d’un système:

Economie d’énergieValeur des rejets thermique = —————————– [kWh/Fr]

Capital investi

La valeur des rejets thermiques est représentée par ladifférence entre le coût nécessaire à l’utilisation desrejets thermiques et le profit résultant de leur utilisation.Vu de cette façon, la valorisation des rejets thermiquesn’est possible que si les conditions d’exploitation de cesrejets sont prises en considération :– Si une part importante du besoin énergétique pour le

chauffage de locaux peut être remplacée à peu de fraispar des rejets thermiques à basse température, cesrejets ont une valeur substantielle, malgré leur faibleexergie.

– Dans le cas de l’utilisation de rejets thermiques à hautetempérature, si l’alternative «production d’électricité»

Encadré 52

Paramètres de raccordement : différence de température

Plus la différence de température est grande, plus l’utilisationd’un échangeur de chaleur s’avère payante. Plus la diffé-rence de température diminue, plus les exigences de l’échan-geur de chaleur s’élèvent.Si la température de la source de chaleur est plus basse quela température exigée par l’utilisateur de chaleur, on utiliseracette chaleur au moyen d’une pompe à chaleur. En présencede grandes quantités d’énergie et de petites différences detempératures utiles à la pompe de chaleur, il existe des solu-tions avec pompe à chaleur réellement économiques.

Encadré 53

Paramètres de raccordement : corrélation entre offre et besoin d’énergie

Une valeur >1 désigne un surplus d’émission; pour écoulerce surplus, il faut prévoir un deuxième utilisateur ou unedécharge artificielle. Pour permettre une utilisation judi-cieuse, le rapport de la puissance moyenne sur un intervallehoraire typique doit également être >1. Si ce rapport est <1,une couverture partielle doit être recherchée. La couverturepartielle s’avère intéressante en présence de grandes quan-tités d’énergie.La gestion des charges et de l’énergie peuvent imposer desérieuses exigences aux techniques de mesures et de régu-lation. Le surplus de chaleur doit être évacué (par exempletour de refroidissement). Les différences entre offre etdemande de chaleur doivent être connues et compenséespar des systèmes d’accumulation.

Encadré 54

Paramètres de raccordement : distance entre source et utilisateur

La distance entre des paires «source-utilisateur» doit êtreminimale. Des réseaux de conduites et de gaines étendusreprésentent une solution onéreuse, occasionnent despertes de chaleur et des frais d’entretien supplémentaires. Sile transfert doit s’effectuer sur plusieurs centaines demètres, mieux vaut alors transporter la chaleur dans destubes. L’isolation des tubes (comparée aux gaines) estmeilleur marché, l’entretien est plus facile et les frais demontage réduits. L’extension maximale d’un réseau dépendpratiquement des économies réalisables et doit être déter-miné individuellement pour chaque système de RC/URT.

4. Planification

39

est plus défavorable que l’alternative «couverture desbesoins de chaleur», alors il est raisonnable et judi-cieux d’utiliser aussi ces rejets à haute températurepour couvrir les besoins d’un utilisateur à basse tem-pérature.

Coûts externesLes effets externes n’ont malheureusement que peu oupas d’incidence sur les décisions en matière d’économied’entreprise. Il faut en revanche tenir compte des aspectsrelevant de l’économie politique (consommation d’éner-gie primaire, sécurité d’approvisionnement, disponibi-lité), de la protection de l’environnement (réduction desémissions de substances nocives, lutte contre le gas-pillage des ressources) ou encore de l’emploi (influencesur le marché du travail).

4.2 Méthodes de mesure

Des preuves sérieuses du succès ne peuvent être obte-nues qu’en travaillant avec des valeurs mesurées. Pourcela, il faut qu’un concept de mesure soit élaboré. Deplus, afin de prouver l’efficacité de l’assainissement, ilfaut disposer de valeurs mesurées sur l’installationavant son assainissement.Les bases de mesures pour les installations de RC/URTsont les suivantes :– description de la situation actuelle (aide-mémoire) ;– description de l’efficacité des dispositions (contrôle

des résultats) ;– analyse de chaque aspect ;– régulation de l’installation ;– exploitation optimale, surveillance permanente à l’aide

du système central de gestion technique du bâtiment ;En rapport avec les économies d’énergie, les valeurs d’ex-ploitation technique et énergétique suivantes devront êtremesurées :– énergies (chaleur, électricité, consommation de com-

bustible) ;– puissances (chaleur, électricité, substitution de com-

bustible) ;– températures ;– débits (liquide, gaz) ;– humidités relatives ;– pressions ;– durées d’enclenchement, heures d’exploitation,

signaux d’état ;– nombre de commutations.

Encadré 55

Paramètres de raccordement : pointes de puissance de l’offre et de la demande

Les accumulateurs servent à couvrir les variations momen-tanées de l’offre et de la demande de chaleur. Ils exigent tou-tefois des investissements supplémentaires, des dépensesplus élevées pour la commande et la régulation et provo-quent des pertes supplémentaires. La capacité de l’accumu-lateur est fonction de l’énergie à accumuler. Elle dépenddonc essentiellement de la non-simultanéité entre l’offre etla demande. Seuls des accumulateurs volumineux peuventlimiter les pertes durant une période d’accumulation pro-longée. Plus l’intervalle de temps est grand, plus le volumedoit être important. Une accumulation de courte durée(heures, jours) peut être maîtrisée par une technologieconventionnelle. Par contre, une accumulation de longuedurée (semaines, mois), s’avère onéreuse et ne se justifieque dans des cas exceptionnels. En lieu et place d’une accu-mulation de longue durée, il sera recherché une utilisationrationnelle de l’installation sur la base d’une stratégied’exploitation appropriée (par exemple fonctionnementoptimal durant les périodes de transition, raccordementsd’autres utilisateurs de chaleur).L’accumulateur permet aussi une adaptation des puissan-ces. Une puissance brève et élevée de la source peut êtretransformée en une fourniture de chaleur constante de plusfaible intensité. L’accumulateur doit être dimensionné demanière à satisfaire chacune des fonctions qui lui sont assi-gnées. Pour des questions de rentabilité, on optera de pré-férence pour des installations sans accumulateur. Cepen-dant, une utilisation de chaleur sans accumulation n’est pastoujours possible.La situation des maxima d’offre et de demande ne sert qued’indicateur sommaire. Ainsi, par exemple, une surémissionde longue durée peut désamorcer le problème de l’accumu-lateur. Pour des analyses plus détaillées, l’évolution dans letemps de l’offre et de la demande sont à prendre en compte.

4. Planification

Pour effectuer des mesures isolées, on utilise souventdes systèmes amovibles ; avec une gestion techniquecentralisée, les points de mesure sont fixés à demeure.Un système éprouvé pour des mesures occasionnellesconsiste à prévoir des points de mesures sur lesquelsles sondes peuvent être rapidement adaptées.Etant donné le coût élevé des procédés de mesured’énergie, seules peu de valeurs sont mesurées en per-manence (par exemple flux de chaleur dans la stationprincipale, électricité fournie à l’alimentation générale).Aussi trivial que cela paraisse, on ignore souvent que lesflux énergétiques ne peuvent être enregistrés qu’aumoyen de mesures. Fréquemment, on se contente decaractéristiques spécifiques, de données nominales oud’autres valeurs basées sur des rendements « habi-tuels», pour élaborer et proposer des concepts d’utilisa-tion des rejets thermiques. Pourtant, c’est bien de cesdonnées que dépend le succès d’un concept. Si l’on nepeut établir de mesures exactes, au moins faut-il pouvoirconstituer une base de données minimale solide (cf.figure 56 et encadré 57).Les mesures exactes concernent les mesures énergé-tiques des flux d’énergie qui nous intéressent. Lesmoyens essentiels à mettre en œuvre pour l’établisse-ment de ces mesures sont :– compteur d’énergie électrique ;– compteur de chaleur (différence de température,

débit) ;– consommation de combustible (compteur à gaz, comp-

teur à mazout, balance) ;– compteur d’heures d’exploitation.Au moyen du bilan énergétique, on peut calculer d’autresflux énergétiques. Des mesures qualifiées de «globales»devraient également intégrer les mesures aux conditions-limites. L’introduction ultérieure de moyens sophistiqués,pour obtenir des mesures exactes, est normalement trèscoûteuse. En limitant les mesures à l’essentiel, on limiteégalement les frais. En estimant les valeurs de raccorde-ment et en supposant des flux constants et des diffé-rences de température invariables, on détermine les éner-gies par l’entremise du compteur d’heures d’exploitation :– compteur d’heures d’exploitation ;– estimation des valeurs de raccordement (plaquettes

signalétiques) ;– estimation des différences de températures (thermo-

mètres mobiles) ;– estimation des flux (mesures par ultrasons) ;– estimation de la consommation de combustible (évo-

lution du stock de combustible).

40

Figure 56 : Définition du besoin et de la consommation d’éner-gie (source : WRG und AWN durch Elektrowärmepumpen inGewerbe und Industrie, Band VIII, Essen, Vulkanverlag).

Encadré 57

Condition actuelle

Apport, resp. besoin de chaleur

Mesure exacte Calcul théorique

Utilisation, resp. besoin

=

x

x

valeur de raccordement

facteur de correctionpour erreurs demesure

nombre d’heures defonctionnement

Utilisation, resp. besoin

=

x

x

=

x

valeur de raccordement(connu ou limité)

facteur de charge

nombre d’heures defonctionnement

valeur de raccordement

nombre d’heuresà pleine charge

Apport et besoin de chaleur

Calcul de la consommation d’énergie

W = P · fc · tf

W = consommation énergétique [kWh]P = puissance de raccordement [kW]fc = facteur de décharge [–]tf = durée de fonctionnement [h]

La durée de fonctionnement peut être déterminée avec unrelative précision. Par contre, le facteur de décharge suscitesouvent une plus grande insécurité.

4. Planification

Les estimations devraient être vérifiées de préférence àl’aide de mesures ponctuelles (mentionnées ci-dessuset entre parenthèses). Dans de nombreux cas, les préci-sions ainsi obtenues sont suffisantes pour une premièreévaluation du concept.

4.3 Recherche de solutionsAprès de multiples comparaisons de chaque source etde chaque utilisateur selon la méthode exposée ci-des-sus, une certaine configuration peut être dégagée.Avant de se lancer plus avant dans l’analyse d’une dessolutions, il est conseillé de représenter les flux énergé-tiques de la variante envisagée par un diagramme. Lorsde l’élaboration d’un réseau de transferts thermiques,les flux énergétiques sont à considérer avant les pro-blèmes techniques liés aux appareils.La représentation des flux énergétiques soulèverabeaucoup de questions qui sont autant d’éléments quiamènent à la solution. Il est donc vivement conseilléd’établir une supervision du concept sous forme de fluxénergétiques, afin d’éviter de grossières erreurs deprincipe.La RC/URT permet la substitution de combustible et,plus rarement, d’électricité. Les répercussions que celaimplique peuvent influencer de façon déterminante larentabilité des systèmes RC/URT. Toutefois il ne suffitpas de considérer uniquement la RC/URT, mais bienplus la globalité du concept «économie d’énergie». Desoptimalisations partielles trop peu approfondies peu-vent avoir des conséquences négatives sur l’ensembledu rendement.Les différents flux de chaleur peuvent être estimés aumoyen des débits, des températures et des valeurs spé-cifiques des fluides d’une part et, d’autre part, avec lesdonnées d’exploitation et les rendements. Si, pour uneassociation « source-utilisateur » donnée, les évalua-tions démontrent que seule une portion minime desrejets thermiques est utilisée ou que la quantité desrejets thermiques reste fortement en dessous desbesoins, il faut alors rechercher une nouvelle associa-tion «source-utilisateur». Dans le premier cas, il restetrop de rejets thermiques non utilisés si l’on ne trouvepas d’autres utilisateurs. Dans le second cas, il fautrechercher une ou plusieurs autres sources jusqu’àobtention de la quantité de chaleur voulue. C’est seule-ment après une étude approfondie des flux énergé-tiques que l’on pourra entamer l’étape «appareillage»du programme. Des solutions concernant l’appareillage

41

Encadré 58

Aspects de planification

Frais d’investissementsFrais d’exploitationDurée d’amortissementConstruction simplifiéeSystème modulaire (kit)Possibilité d’extension du systèmeDisponibilité de l’installationHeures de fonctionnementGenre d’exploitationSécurité d’exploitationBesoin en énergie primaireStabilité de l’exploitationCapacité de réglagePerte de pressionRisque de gelDensitéElimination des condensatsRésistance à la corrosionSensibilité à l’encrassementProcédé d’auto-nettoyageSimplicité du servicePréjudice aux autres installations en cas de panne

4. Planification

pourront être trouvées dans les possibilités d’utilisationet de combinaisons suivantes :– transfert direct de la chaleur sans caloporteur (régé-

nérateurs ou récupérateurs) ;– transfert direct de la chaleur avec caloporteur (régé-

nérateur) ;– transfert indirect de la chaleur avec caloporteur (sys-

tème à circuit fermé) ;– pompes à chaleur, transformateur de chaleur, cou-

plage chaleur-force, installations ORC (Organic Ran-kine Cycle).

En principe, on peut affirmer que les installations ayantun rendement global élevé génèrent des frais d’inves-tissements plus importants et une consommation élec-trique plus forte pour les pompes et les ventilateurs.D’autres aspects importants pour la planification ne figu-rant pas dans l’aide-mémoire sont décrits à l’encadré 58.Pour la récupération de chaleur dans les installations deventilation, des schémas-types et des appareils standar-disés sont disponibles. Dans les installations d’utilisa-tion des rejets thermiques, les composants et le système(récupérateur, régénérateur, pompes à chaleur) doiventêtre adaptés à chaque situation. Cela concerne la planifi-cation, l’évaluation, l’optimalisation, le montage, l’exploi-tation et la surveillance. Seuls des composants isolés, telsqu’échangeurs de chaleur à gaz de combustion ou équi-valents, peuvent servir d’éléments de base dans diffé-rentes installations.

4.4 Phases de la planificationDans les directives 89-1 de la SICC, on peut trouver desdocuments décrivant tous les points importants relatifsà la planification. Dans cette même documentation, uneattention particulière est portée à la réception et à lagarantie des installations de ventilation.Les phases principales de la planification sont résuméesà l’encadré 59.

Cahier 1, chapitre 6.☞

42

Encadré 59

Procédure

1. Evaluation de l’installation ou du procédé

2. Analyse sommaire– Saisie des données et de la situation– Interprétation– Rentabilité (estimation sommaire)– Concept d’utilisation et suite de la procédure

3. Analyse fine– Fixer les limites du système– Analyse détaillée des conditions– Bilans des énergies et puissances– Liste de mesures, nouvelles conditions d’exploitation– Calculs de rentabilité– Elaboration du projet

4. Exécution, respectivement assainissement

5. Optimalisation de l’exploitation

6. Contrôle de qualité

Annexe

Annexe

A. Domaines d’application

RC dans le secteur du confortDans ce secteur, les installations de RC pour les tech-niques de ventilation sont en général exploitées dansdes constructions non réservées à l’habitation. Les récu-pérateurs de chaleur représentent ici des composantsessentiels qui, de par leur rapport favorable entre fraiset utilisation, sont utilisés depuis les années 1960 déjà.Aujourd’hui, bon nombre d’installations sont en serviceet donnent satisfaction.

RC dans l’industrieLa RC est possible également dans les installations deventilation industrielle et s’avère presque toujours ren-table. Les installations de ventilation industrielle desser-vent des halles de production, des ateliers et leurs dépen-dances, comme par exemple les entrepôts ou similaires.Un exemple d’appareil est montré à la figure 60.

Procédés industriels de ventilationDans le cadre de la production industrielle, on trouve trèssouvent des installations de ventilation industrielle, dontle système fonctionne indépendamment de l’installationgénérale d’aération des locaux. En tant que systèmesindépendants, ils sont soumis à des critères de dimen-sionnement particuliers, tels que configuration spécialedes locaux, transfert énergétique élevé, contaminationde l’air par des matières polluantes (cf. encadré 61).Dans les installations industrielles de ventilation, l’airsert de vecteur de transport de matière et d’énergie desprocédés de production. Les caractéristiques de ces ins-tallations sont :– apport de chaleur dans un processus ;– évacuation de la chaleur et de l’humidité hors d’un

processus ;– évacuation des gaz, solvants, nuages de peinture,

vapeurs, etc.

Installations de froidDans le domaine des techniques de refroidissement, lespuissances mises en œuvre permettent une distinctionentre le froid industriel et le froid artisanal. Mais, dansles deux cas, les principes d’URT sont identiques.La production de froid peut servir au chauffage de l’eau,au chauffage de locaux ou à l’aération (figure 62). Dansces cas, les rejets thermiques remplacent l’électricité etle combustible.

43

Figure 60 : Exemple d’un appareil de ventilation de toiture avecRC intégrée pour l’industrie (source : Hoval).

Encadré 61

Exemples de matières polluantes causant des problèmes dans l’air soufflé et l’air évacué

Gaz de soudureVapeurs corrosivesVapeurs ou gaz explosifsBrouillard d’huile et d’émulsionsSolvantsDécapantsPoussièresParticules de peintureSubstances radioactives (gaz, aérosols, particules)Substances toxiquesGermesOdeursHumidité

Annexe

44

Les données physiques d’un cycle thermique détermi-nent si un fluide peut être surchauffé, respectivementsous-refroidi, et jusqu’à quel degré. Avec des conditionsfavorables et un choix de raccordements judicieux, uneutilisation répartie selon la température peut être misesur pied. En surchauffant le fluide, la température à lasortie du compresseur peut atteindre jusqu’à 70°C. Maisla majeure partie des rejets thermiques, lors de lacondensation, se situe aux alentours de 40°C.

La congélation de denrées alimentaires exige unepuissance de refroidissement de 10 kW. Cette

opération dégage une puissance calorifique de 14 kW.Avec un condenseur refroidi à l’air, on peut chauffer3000 m3/h d’air à environ 20°C. L’intégration d’un con-denseur refroidi à l’eau permet de chauffer environ 4 l /min d’eau à une température d’environ 40°C.

Production d’air compriméDans ce système, le compresseur ne doit pas dépasserune certaine température. Pour des raisons de sécuritéd’exploitation, le refroidissement est assuré par l’eau oul’air ; on améliore ainsi également le rendement. Sou-vent, il faut procéder aussi au séchage de l’air com-primé. Le 90% environ de l’énergie mécanique se trans-forme alors en rejets thermiques.Selon la situation, l’air froid réchauffé peut servir àl’aération des halles pendant la saison froide ou l’eaufroide réchauffée peut être utilisée pour le chauffage deslocaux ou le chauffage de l’eau. Des températures de 80à 90°C sont atteignables selon le système de refroidis-sement choisi.

Situation générale dans l’industrieDans les procédés industriels et artisanaux, l’énergie nejoue pas le même rôle que dans le secteur du confort.L’utilisation de l’énergie peut être différenciée commesuit :

énergie pour le travail mécanique (entraînements)+ énergie pour les procédés= énergie pour la production

énergie pour la production+ énergie pour le confort= consommation énergétique globaleLors de la fabrication d’un produit, outre les grandeurspouvant influencer la consommation énergétique, unequantité d’autres facteurs participent au calcul du prixde revient du produit, respectivement de la rentabilitéd’un processus.

✎

Figure 62 : Système d’application d’URT dans une installationde froida) Pas d’utilisation des rejets thermiques.b) Condensation directe dans le chauffe-eau.c) Condensation dans l’échangeur extérieur.d) Avec accumulateur de chaleur pour divers consommateurs.

a

c

d

b

EC

EF

EF

EF

50° 45°

EC

EC

Annexe

Il ressort d’une part que pour bon nombre de marchan-dises le coût de l’énergie nécessaire au produit fini estsouvent minime: les modifications du prix de l’énergieont donc une influence modérée sur le prix du produit.D’autre part, de nombreux processus exigent une éner-gie intensive, permettant aisément de les considérercomme des systèmes à part entière.Ces dernières années, des efforts ont été entrepris afind’améliorer la situation des grands consommateursd’énergie : par exemple améliorations dans les méthodesde production et recherche d’appareils pouvant utiliserplusieurs fois de l’énergie. A ce propos, les aspects prin-cipaux relatifs à la RC/URT sont résumés à l’encadré 63.Des mesures d’économie d’énergie importantes sontsouvent fort simples à instaurer. Par exemple pour lesprocessus de séchage – consommateurs énergétiquesrelativement importants – dans lesquels le prolonge-ment du temps de séchage abaisse la température deconsigne. Dans ce cas, la qualité du produit séché s’entrouve souvent améliorée.La vapeur est fréquemment utilisée pour couvrir lesbesoins de chaleur. La production de chaleur a lieuessentiellement à l’intérieur de l’exploitation. Dans denombreux procédés, la vapeur fabriquée atteint destempératures inutilement élevées, et doit ensuite êtreramenée par transformation aux températures exigées.Avec une production appropriée, on peut économiserbeaucoup d’énergie.

Exemple de l’industrie chimiqueDans les procédés de production chimique, le démar-rage de réactions en chaîne puis la séparation des élé-ments exigent de l’énergie. Lorsqu’elle a été engagéedans un processus, l’énergie doit à nouveau être déga-gée, en tant que chaleur, souvent à un niveau plus bas.Pour les procédés exothermiques, la chaleur libérée doiten plus être évacuée.Certains procédés de fabrication ont certes constam-ment été améliorés au fil des ans, souvent au moyen decombinaisons de machines et d’appareils existants, cequi a permis de substantielles économies. Jusqu’ici tousles procédés n’ont de loin pas atteint la même «matu-rité énergétique». Il existe encore beaucoup de procé-dés pour lesquels l’incitation à rechercher des écono-mies d’énergie n’est pas suffisante en ces temps oùl’énergie est très bon marché.

45

Encadré 63

Branches de l’industrie suisse consommant une bonne part des énergies de procédés

L’industrie métallurgique et l’industrie des machinesfigurent au deuxième rang des principaux consommateursde chaleur de procédés. Par rapport à leur consommationénergétique globale, la part de chaleur de procédé néces-saire à chacune de ces deux industries est importante. Plusde 95% de la chaleur est injectée dans des procédés dépas-sant 300°C. Cette situation semble favorable à une progres-sion de l’utilisation rationnelle de l’énergie.Dans la production de matériel de construction prédomi-nent les hautes températures et les hautes puissances. Leschaleurs de combustion à température supérieure à 1000°Cet les rejets thermiques couvrent normalement la plupart desbesoins d’énergie situés en dessous de 300°C.Une consommation élevée de vapeur, à pression moyenne àforte, voilà ce qui caractérise les flux calorifiques importantsrencontrés dans l’industrie du papier. La structure desbesoins de chaleur de ce secteur industriel varie fortement.L’industrie textile, du cuir et des chaussures, compa-rée à d’autres, n’exige pas de très hautes températures. Plusde 80% de la chaleur produite sont destinés à des procédés,dont la température se situe en dessous de 300°C. Lamajeure partie de cette énergie est utilisée dans des procé-dés de séchage.Sur le plan de sa consommation de chaleur, l’industrie chi-mique est la plus importante de toutes. Dans chacune deses exploitations, la consommation de vapeur, d’eau chaudede même que la température varient très fortement. Cettesituation représente un potentiel non négligeable de diver-sification dans l’utilisation de la chaleur, sous forme de RCet d’URT, en particulier pour le chauffage de l’eau fraîche.L’industrie des denrées alimentairesoffre une très largepalette de technologies aux températures les plus diverses.Le dégagement de vapeur et de condensat, en tant quesource de chaleur d’une part, et, d’autre part, le besoin d’eaucomme utilisateur de chaleur, laissent entrevoir des possi-bilités favorables pour la RC et l’URT.

Sonnenenergie für die Erzeugung industrieller Pro-zesswärme. Ausgearbeitet durch die Georg Fischer

AG, Schauffhausen. Bern: Bundesamt für Energiewirtschaft(BEW), 1981. (BEW-Schriftenreihe, Studie Nr. 15; source :OCFIM, 3000 Berne, N° de commande 805.715 d).

&

Annexe

46

Transmission de chaleur à travers des barrières de sécuritéLes rejets thermiques dans l’industrie ne sont pas redis-tribués sans autre si le transfert vers d’autres lieux d’uti-lisation met en danger l’installation, le produit ou leseaux usées. Une utilisation est toutefois possible aumoyen de la pose de «barrières». Une solution à ce pro-blème, encore peu connue, est apportée par le systèmeà double-manteau : dans ce cas, le circuit de sécuritédevient inutile. La transmission de chaleur est assurée àtravers un échangeur (figure 64).

Couplage chaleur-forceLe couplage chaleur-force signifie production combinéede chaleur (pour le chauffage et les procédés ther-miques) et de force (surtout pour la production d’élec-tricité) au moyen de turbines à vapeur, de turbines à gaz,de moteurs Diesel ou à gaz. Ce thème fait l’objet d’unebrochure dans cette même série.

Cahier 4 ; cahier 1, paragraphe 2.5 et 3.4.

Installations ORCLes installations ORC (Organic Rankine Cycle) sont desinstallations thermiques dans lesquelles, via un circuitfermé, on produit de l’énergie électrique grâce à desrejets thermiques entre 16 et 300°C. Les premières expé-riences réalisées montrent que, dans des cas isolés, lesinstallations ORC sont tout à fait aptes à utiliser desrejets thermiques. Toutefois, on ne peut pas s’attendreà une part importante d’ORC dans les systèmes d’URT.

☞

Figure 64 : Schéma d’une installation de transformateur aveccircuit de sécurité pour l’URT [source : Jahrbuch der Wärme-ruckgewinnung, 6. Ausgabe, Essen Vulkan-Verlag, 1989].

1 2 3 4 5 6 7

1. Transformateur

2. Circuit d’huile de refroidissement

3. Refroidisseur à double-manteau

4. Circuit de chauffage eau-glycol

5. Pompe à chaleur

6. Chaudière à gaz

7. Distribution de chaleur

Annexe

47

B. Exemples

Industrie de développement de filmsDonnées et but : dans une entreprise de 350 per-sonnes, une installation importante d’utilisation desrejets thermiques équipée de pompes à chaleur etd’échangeurs de chaleur doit être installée.Concept : les départements «photochimie », « traite-ment» et «climatisation» doivent être réunis dans unconcept global (figure 66).Description de l’installation : la connexion entre laclimatisation et le département « traitement» s’effectuedans les échangeurs de chaleur, qui desservent le sys-tème de refroidissement de l’air pour les installationsd’informatique et les installations générales de climati-sation. L’eau, ainsi réchauffée de 6°C, est injectée dansles évaporateurs des machines de refroidissements. Dufait que la consommation d’eau varie fortement dans leprocédé des « traitements », un accumulateur prélimi-naire de 42 m3 est inséré dans le circuit d’eau ; cet accu-mulateur est alimenté principalement par l’eau d’unemachine frigorifique à basse température de condensa-tion. L’eau de l’accumulateur préliminaire est ensuitechauffée à environ 45°C dans un accumulateur de 6 m3

Encadré 65

Figure 66 : Schéma de principe de l’exemple de cas « industrie de développements de films».

Entreprise de développements de films

Concept : Innovent Zurich AG.

La comparaison des chiffres de consommation d’énergie de1984 à 1990, pour une production semblable, fait ressortirune hausse de la consommation de courant électriqued’environ 150 MWh/a et une économie de mazout équiva-lent à 640 MWh/a.

Il en résulte une amplification électrothermique de: AET = 640 /150 = 4,27.

Machines de développement

M1

M3

M...

Accumulateurd’eau usée

Pompeeau usée

TransformateurRC

Acc

um

u-

late

ur

EC

6

m3

Pré-accu-mulateurd’eau42 m2

du chauffage au mazout chauffage de secours

max.

min.

10°C

22°C

22°C

18 k

W22

6 kW

15 k

W20

kW

116

kW

An

c. b

ât.

Pro

d. n

ou

v. b

ât.

Pro

d. n

ou

v. b

ât.

Pro

d. n

ou

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Pro

d. a

nc.

. bât

.

Co

mp

ute

r

88 k

W

45°C 45°C

45°C

43°C

8°C

8°C

8°C

14°C

30°C

45°C

8°C

30°C

33°C

120 kW

45°C

E158 kW E138 kW

C198 kW C185 kW

156

kW

223

kW

M2

Infrastructure Installation de climatisationEau fraîche Machines frigorifiques

Annexe

alimenté par une pompe à chaleur électrique utilisant lesrejets thermiques provenant des machines de dévelop-pement. Selon l’état de charge, l’eau à 45°C provenantde la machine frigorifique à haute température decondensation peut être dirigée vers l’accumulateur pré-liminaire ou vers l’accumulateur d’eau chaude. L’eau del’accumulateur d’eau chaude alimente les machines detraitement, où la température souhaitée est atteinte paradjonction d’eau froide. Le chauffage des locaux est éga-lement relié à l’accumulateur d’eau chaude par l’inter-médiaire d’un échangeur de chaleur. En cas d’insuffi-sance des rejets thermiques, un chauffage d’appoint àmazout est enclenché.Rentabilité : dans cette entreprise, on recherche cons-tamment à améliorer les installations (encadré 65). Lesfrais qui en découlent sont reportés sur les frais d’entre-tien. Il n’est pas prévu de plan d’amortissement pourchacune de ces mesures.

« Refroidissement doux »Données et buts : au moyen d’une planification inté-grale doublée de calculs de simulation pour des fluxénergétiques non stationnaires, il s’agit de développerun concept aéraulique, en substituant un système derefroidissement mécanique par un système d’évapora-tion combiné à une RC. La méthode dite de « refroidis-sement modéré» s’avère très avantageuse du point devue coût, mais ne fournit pas un confort optimal.Concept : une RC équipée d’un système de refroidisse-ment par évaporation dans l’air évacué sert au refroidis-sement de l’air des locaux. Pour des questions de coûtd’exploitation, on installera un humidificateur spécialpour de l’eau potable non traitée. Le chauffage de basecouvre 100% des besoins énergétiques en chauffage.Une protection solaire extérieure, assurée par des storesà lamelles mobiles et un éclairage optimal des locauxdégageant un minimum de chaleur réduisent fortementles apports thermiques en été. Afin de limiter les apportsthermiques des appareils, on admet un ordinateur per-sonnel par place de travail. Les avantages par rapportaux solutions conventionnelles sont : des frais d’installa-tion et d’énergie plus bas et une quantité d’air propor-tionnellement plus petite, ainsi que des frais d’entretienet de surveillance moins élevés. Le désavantage se limiteà une réduction passagère du confort des locaux en été(pendant les périodes de canicule : température relative-ment élevée des locaux équipés d’ordinateurs), ce quiest d’ailleurs sciemment pris en compte.

48

Figure 67 : Schéma de principe de l’exemple de cas « refroidis-sement doux ».

Encadré 68

Local+

±

«Refroidissement doux»

Concept : Gähler + Partner AG, Ennetbaden.

Bâtiment à 4 étages abritant des bureaux:– Heures d’ouverture

(5 jours par semaine) 12 h / jour– Renouvellement d’air /h 1,7 à 2,6

Echangeur thermique rotatif avec condensation:– Rendement de température environ 75%– Rendement d’humidité environ 15 à 75%– Amplification électrothermique environ 16

Confort hivernal :– Température des locaux 20 à 22°C– Humidité des locaux min. 35%

Confort estival :– Température des locaux sans PC jusqu’à 28°C– Température des locaux avec PC jusqu’à 30°C– Humidité des locaux jusqu’à 70%

Rentabilité comparée à une installation conventionnelle:Refroid. Refroid. Economiemécanique douxηA = 3,4 ηA = 2,2 %

Investissements 550 000 fr. 326 000 fr. 41Electricité 62,0 MWh/a 32,4 MWh/a 48Mazout 7,320 kg /a 4,750 kg /a 36Frais capitalisation 52 000 fr. /a 30 800 fr. /a 41Frais d’entretien 25 600 fr. /a 15 200 fr. /a 41Frais d’énergie 16 600 fr. /a 9300 fr. /a 44Frais annuels 94 200 fr. /a 55 300 fr. /a 41

Base : prix du mazout 0,4 Fr. / kg, prix moyen du courant 12 ct / kWh, intérêts 7%,hausse de prix pour électricité et frais d’exploitation 5%, hausse de prix pourmazout 6%, durée moyenne d’utilisation 20 ans.

Annexe

Description de l’installation : à travers un ventilateurd’air pulsé, une RC et un chauffage de l’air, l’air estamené dans le local à travers des grilles de pulsion(figure 67). L’air évacué passe par l’humidificateur adia-batique laminaire, puis par la RC, le ventilateur, la gained’évacuation, pour terminer sa course à l’air libre. L’ins-tallation travaille avec une quantité d’air constante. Enhiver, le système RC est en service. Il préchauffe l’airpulsé qui est aussi humidifié par la condensation de l’airévacué (lorsque les températures extérieures sontbasses). Si nécessaire, l’air pulsé est encore humidifié etamené à une température de consigne variable.En été, en mode de refroidissement diurne, l’air évacuédans l’humidificateur adiabatique laminaire peut êtrerefroidi jusqu’à environ 22°C, avec près de 95% d’humi-dité relative. Après enclenchement de la RC, l’air évacué(froid) refroidit sans échange d’humidité l’air neuf(chaud) (y compris les rejets thermiques du ventilateurd’air neuf). Le refroidissement nocturne fonctionne parbasse température de l’air avec les ventilateurs d’airpulsé /évacué et partiellement avec l’humidificateur del’air évacué. Les utilisateurs sont en général satisfaits duconfort apporté par ce système. En été toutefois, la tem-pérature des locaux informatiques peut devenir très viteéprouvante. Pour rendre la situation plus confortable,des raccordements pour une climatisation mécanique(environ 30 kW) sont prévus. D’autres données sont énu-mérées à l’encadré 68.Rentabilité : un taux minime de renouvellement d’air etla suppression du refroidissement mécanique permet-tent une économie d’électricité d’environ 30 MWh. (Laconsommation supplémentaire de 20 m3 d’eau par anpour l’humidification de l’air ne joue pas un rôle trèsimportant). La diminution des frais de capitalisation,d’entretien et d’énergie permet une épargne évaluée à41% ou Fr. 39 000.- par an. Elle se fait toutefois au détri-ment des exigences du confort (par températures exté-rieures caniculaires, la température des locaux d’infor-matique atteint jusqu’à 30°C), ce qui est difficile àchiffrer. Par conséquent, chaque cas exige un examenindividuel approfondi, avant de pouvoir être englobédans un tel concept.

Production de froid en hiverDonnées et but : les besoins minimes de froid en hiverdevraient être couverts par une source « froide» dispo-nible et sans le concours de compresseurs frigorifiquestravaillant à un mauvais rendement en raison de leurfaible charge.

49

Encadré 70

Climatisation pour refroidissement hivernal

Concept : Hoffmann-La Roche SA, Bâle.

Puissance d’entraînement des turbo-compresseurs :– 1 turbo de refroidissement de 699 kW 699 kW– 2 turbos de refroidissement de 681 kW 1362 kW– 2 turbos de refroidissement de 368 kW 736 kW– Total 2797 kW

Accumulateur de froid 66 m3

Echangeur à plaques:– Puissance 900 kW– Température du circuit froid 4 /11°C

Rentabilité :– Economie d’électricité 400 MWh/a– Frais d’investissement supplémentaires Fr. 125 000.-– Frais annuels de capitalisation Fr. 13 750.- /a– Economie annuelle moyenne

de frais d’énergie Fr. 56 850.- /a– Economie annuelle moyenne nette Fr. 43 100.- /a

Base : Prix du courant 10 ct / kWh, intérêts 7%, hausse du prix de l’électricité 5%,durée d’utilisation 15 ans.

Machinesfrigorifiques

RhinEchangeurde chaleur

Eau industrielle

Accumulateurde froid

Refroidissementclimatisation

bâtimentsde services

Eté

Hiver

Figure 69 : Schéma de principe d’un exemple de cas «climati-sation pour refroidissement hivernal».

Annexe

Concept : en raccordant la source « froide» (en l’occur-rence l’eau du Rhin) sur le circuit de l’eau industrielle, lesmachines de refroidissement peuvent être déclenchéesen hiver. Le couplage au réseau de froid se fait parl’intermédiaire d’un échangeur thermique à plaques. Sile réchauffement de l’eau industrielle est faible, elle peutencore être utilisée dans d’autres procédés de réfrigéra-tion. Les machines de refroidissement ne sont action-nées qu’en été.Description de l’installation : la figure 69 décrit sché-matiquement l’installation de climatisation avec accu-mulation de froid. L’échangeur thermique à plaques(données techniques dans l’encadré 70) est inséré auretour du circuit de l’eau industrielle. La commutationsur les machines frigorifiques a lieu dès que l’eau indus-trielle atteint une température trop élevée.Rentabilité : cette méthode d’exploitation permet, avecdes frais d’investissements de Fr. 125 000.- pour les ins-tallations supplémentaires de refroidissement par leseaux du Rhin, une économie de 400 000 kWh/an d’élec-tricité, ce qui correspond à une somme de Fr. 43 100.-.Le délai de remboursement des investissements est demoins de 3,5 ans. En outre, ce système permet d’éviterde coûteuses pointes de consommation de courant. Aces avantages, viennent encore s’ajouter une diminu-tion des pertes de fluides frigorigènes, moins de travauxd’entretien et moins de bruit au niveau des turbos com-presseurs.

Raccordement chaud et froidDonnées et buts : un raccordement de chaud et froiddevrait assurer le chauffage de bureaux et d’ateliersavec un minimum d’énergie externe. La rentabilité et ladiversification de la fourniture d’énergie sont évaluéessur la base de calculs.Concept : utilisation des rejets thermiques des trans-formateurs et des appareils informatiques ainsi que dela chaleur de l’environnement au moyen d’absorbeursen façade et d’une pompe à chaleur pour la puissancede base (figure 71). Les chaudières existantes assainiesseront enclenchées uniquement pour couvrir les pointesde consommation.Description de l’installation : la couverture de lapuissance de base est assurée d’une part par les rejetsthermiques de deux transformateurs, via un échangeurde chaleur à double parois eau-huile. D’autre part, lachaleur de l’environnement, absorbée par les surfacesensoleillées des façades (côté sud est et sud ouest) danslesquelles sont bétonnées des conduites en matière

50

Figure 71 : Schéma de principe d’un exemple de cas de rac-cordement «chaud et froid ».

Collecteursen façade

PAC

Rejetsthermiques detransformateurs

EDV

Chaudière

Accumulateur

Appartements

Caisses etateliers

Magasin centralBâtim. de service

Bâtimentsadministratifs

Annexe

synthétique, est mise en valeur à l’aide de pompes àchaleur à entraînement électrique. La séparationhydraulique des deux surfaces de collecteurs permetune meilleure répartition des charges. Le rôle de la chau-dière se limitera à couvrir les rares pointes de consom-mation. Grâce aux rejets thermiques des transforma-teurs, les PAC ne travaillent que jusqu’à concurrence de8°C de température extérieure. Durant la période inter-médiaire (température extérieure de 8 à 16°C, corres-pondant à environ 3000 heures), les rejets thermiquesdes appareils informatiques sont évacués par l’intermé-diaire des collecteurs placés en façade. Un système decommande intégré permet de piloter l’installation encontinu de manière optimale. Les distributeurs dechauffage existants ont été adaptés pour fonctionneravec débits variables et le chauffage des radiateurs a puêtre aligné sur une température de retour maximale de50°C. Les données techniques sont mentionnées àl’encadré 72.Rentabilité : les frais d’investissement globaux se mon-tent à Fr. 1 560 000.-. Il en résulte Fr. 160 000.- de fraisannuels (selon taux en vigueur). Traduit en prix actuels,on obtient des frais dus à l’inflation pour un total de Fr. 100 000.- /an. Une diminution du besoin de chaleur de1000 MWh/an entraîne un coût spécifique d’environ 10centimes par kWh. Dans la phase finale de l’aménage-ment, on prévoit une diminution du besoin de chaleurde 2000 MWh/an, ce qui entraînera un coût final d’envi-ron 5 ct / kWh.

C. Méthode du pincement ou Pinch Desing Method(abrégé : PDM)

Une installation technique de chauffage peut être repré-sentée par un réseau de transferts thermiques. Pour desconditions stationnaires, on peut définir à l’aide de laPDM le minimum théorique d’énergie à fournir de l’exté-rieur pour une série de flux à chauffer ou à refroidir et destempératures initiales et finales connues. Le PDM doitson appellation au pincement typique (en anglais: Pinch)des courbes composites dans le diagramme enthal-pie / température (figure 73).Les deux courbes composites (chaud, froid) représententchacune sur l’échelle de l’enthalpie, dans les intervallesde température considérés, tous les apports (chauffage)

51

Raccordement «chaud et froid»

Concept : Elektra Birseck Münchenstein

Puissance de chauffage– 1re étape 700 kW– Aménagement final environ 1300 kW

2 transformateurs :– Tension 150 /13 kV– Puissance apparente 40 MVA– Puissance des rejets thermiques 50 à 120 kW

Accumulateur d’eau chaude 30 m3

Pompe à chaleur :– Puissance thermique 260 kW– Puissance électrique utile 92 kW– 4 circulateurs, en tout 8 kW– Surface de la façade 1590 m2

Puissance de refroidissement – Installation de climatisation des locaux informatiques– Ordinateurs 80 kW– Alimentation de secours 10 kW

Groupe frigorifique (2 compresseurs) :– Puissance de refroidissement 122 kW– Puissance électrique utile 56 kW

Production de chaleur globale:– 1re étape 1009 MWh/a– Aménagement final environ 2000 MWh/a

Amplification électrothermique 4

Rentabilité :– Frais d’investissements globaux 156 0000.- Fr.– Frais annuels aux prix actuels 160 000.- /Fr. /a– Frais annuels tenant compte de

l’inflation 100 000.- /Fr. /a– Coûts spécifiques de la chaleur

1re étape 10 ct / kWhAménagement final environ 5 ct / kWh

Base: prix du mazout 0,4 Fr. / kg, prix moyen du courant 12 ct / kWh, taux d’infla-tion 4%, intérêts 7%, hausse de prix pour électricité et frais d’investissement 5%,hausse de prix pour le mazout 6%, durée moyenne d’utilisation 30 ans.

Encadré 72

Annexe

et les rejets (refroidissement) thermiques dans le flux dematière3). Cette différence de température minimaleapparaît au pincement ∆Tmin à une enthalpie déterminée.La zone de recouvrement des courbes parallèlement àl’axe d’enthalpie définit le gain thermique maximumpossible. Le besoin minimum en énergie de chauffage estdésigné par Qchaud, min et en énergie de refroidissementpar Qfroid, min. Dans un procédé, la température au pince-ment fixe la limite de la chaleur interchangeable. Aveccette méthode, on peut élaborer différents réseaux detransferts thermiques de manière globale. En définissantl’écart minimal de température, on peut calculer le gainthermique maximum, les grandeurs du réseau et estimerles coûts. Le PDM est un outil d’analyse et d’optimalisa-tion d’un réseau de transferts thermiques. Il peut êtrecomplété par des méthodes d’optimalisation s’appli-quant à tout un ensemble de conditions d’exploitationpouvant se modifier.Une surconsommation énergétique peut survenir dansun procédé, lorsqu’une erreur est commise dans l’undes points suivants :– Refroidir avec de l’air ou de l’eau en dessus du pince-

ment.– Chauffer avec de l’énergie externe en dessous du pin-

cement.– Chauffer un flux de matière en dessous du pincement

avec un flux de matière chaude situé en dessus du pin-cement.

Linhoff, B., et. al. : A User Guide on Process Inte-gration for the Efficient Use of Energy. Rugby Ins-

titution of Chemical Engineers, 1982.Reinmann, K.A. : The Consideration of Dynamics andControl in the Design of the Heat Exchanger Networks.Zurich : Eidg. Technische Hochschule (ETHZ), 1986. (Dis-sertation ETHZ N° 7916)Körner, H. : Optimaler Energieeinsatz in der chemischenIndustrie. In : ChemieIngenieur- Technik, Bd. 60, 1988, S. 511-518. (Ausleihe : ETH-Bibliothek, Sign. P513924 : 60)Favrat, D., Staine F. : Intégration énergétique de procédésindustriels par la méthode du pincement. Office fédéraldes questions conjoncturelles, 3003 Berne, 1994.(Source : OCFIM, 3003 Berne, N° de commande 724.321 f)

&

52

Température T

Enthalpie H

Qfroid, min

Besoin frigorifique minimum (utilité froide)

∆Tmin

Pincement

Besoin thermique minimum (utilité chaude)

Qchaud, min

Figure 73 : Méthode du pincement avec courbes composites« chaud » (en haut) et « froid » (en bas). La ligne pointilléedécrit la situation lors d’un déplacement à gauche de la courbecomposite « froid ». Dans ce cas, ∆Tmin diminue, tout commeles besoins minimum en énergie de chauffage et de refroidis-sement.

3) La PDM propose, pour un processus donné, des flux de cha-leur et des températures y relatives.

Annexe

D. Aide-mémoire RAVEL

A l’occasion d’une mise en exploitation, on remplit unaide-mémoire pour chaque émetteur et chaque utilisa-teur d’énergie (désigné ci-après par « récepteur»). Desexemples d’émetteurs et de récepteurs figurent dans lestableaux 74 et 75. Les formulaires sont utilisables aussibien dans les techniques du bâtiment que dans les tech-niques industrielles.

Explication des paramètres au chapitre 4.

Pour effectuer une analyse globale, les valeursspécifiées devraient être introduites sur la base de

valeurs de mesures fiables. Si cela n’est pas réalisable,il faut procéder à des estimations au plus près de la réa-lité et ensuite seulement se reporter à des valeursacquises par expérience.

Aide-mémoire RAVEL « source de chaleur »Les trois dernières cases servent à l’examen de lasource. Dans la case *** figurent les propriétés qui neposent pas de problèmes. Avec un degré progressifdans la difficulté technique, les inscriptions devront êtreplacées dans la case ** ou *. Chaque propriété jouira dumême poids.La toute dernière ligne est réservée aux totaux. Si lesenregistrements de la case * dominent, des difficultéspour la réalisation sont à craindre. Dès lors, une utilisa-tion n’est souvent judicieuse qu’en présence d’unegrande quantité de chaleur. Si une dimension ne figureque dans la case * ou **, des renseignements précis surles positions y relatives s’avéreront nécessaires. Au casoù les premiers examens n’apportent pas de solutionacceptables, c’est que la source ne convient pas pourcette utilisation.

Aide-mémoire RAVEL « récepteur de chaleur»Pour analyser le récepteur, on différencie entre lesappréciations «sans problème», «possible» et «diffi-cile ». «Forme d’utilisation» et « lieu d’utilisation» sontdes appréciations déterminantes.

RaccordementsPour établir la liaison entre la source et le récepteur, lesdifférentes dimensions contenues dans l’aide-mémoire

☞

53

Genre de source Vecteur de chaleur

Exemple

Electrique/électrique

Air chaudEau chaudeFluide de refroidis.

TransformateurPoste de radioOrdinateur

Electrique/mécanique


Machines

Electrique/thermique

Air chaudEau chaude

Fours de fusion

Electrique/lumière

Air chaud Eclairage avecrefroidissement

Mécanique/électrique


Générateur

Mécanique/mécanique


Transmission, techniques de pro-cédés mécaniques

Procédés de combustion(combustible)

Eau chaudeAir chaudGaz de fuméeVapeur

Chauffage de locauxAppareils à vapeur

Réacteur chimiqueen général


Réactions exothermiquesdans cuvesmélangeuses

Procédés de production


Installations de séchage

Tableau 74 : Différents genres de sources de chaleur avecexemples et fluides possibles pour le transport de la chaleur.

Genre d’utilisateur

Vecteur de chaleur

Exemple

Chaleur de confort

Chaleur de procédés

Eau chaude Corps de chauffe

Eau chaudeAir chaud

Chauffage à air

Eau chaudeVapeur

Chauffe-eau

Chaleur de vapeurHuile thermique

Producteur de vapeur

Eau chaudeVapeur

Réacteur à double parois

Eau froideEau/glycol

Refroidisseur d’air

Tableau 75 : Différents genres d’utilisateurs de chaleur avecexemples.

ë

Annexe

doivent être comparées les unes aux autres. Les critèresprincipaux sont :– différence de température entre source m et utilisateur n:

TSm et TUn;– rapport offre d’énergie m/besoin d’énergie n :

ESm/EUn;– distance horaire des maxima d’offres m et besoins n:

PP (Sm-Un) ;– distance (éloignement) entre émetteur m et utilisateur:

D (Sm-Un).Dans les cas simples, une source peut être branchéedirectement à un récepteur. Dans les cas complexes,plusieurs sources peuvent être connectées à plusieursutilisateurs. Les caractéristiques de raccordement lesplus importantes seront portées sur la liste de raccorde-ments en fonction des paires « source-utilisateur »(tableau 76).Ces caractéristiques de raccordement déterminent lechoix du système. Le tableau 77 présente des points derepère sommaires. Le cas «A» est souvent plus avanta-geux du point de vue des exigences techniques et descoûts que le cas «B». En résumé, la situation peut être représentée au moyend’une matrice où les sources sont représentées en ordon-née et les utilisateurs en abscisse (tableau 78). Les quatredimensions de raccordement seront reportées dans cha-cun des champs. Certes, par cette opération, on obtientrarement une paire «source-utilisateur» offrant un maxi-mum de concordances de tous les points. C’est pourquoiune évaluation des différents critères sera nécessaire.En général, la création de paires « source-utilisateur »autonomes n’offre pas une solution optimale mais uneébauche de solution. Seul un calcul exergétique de l’uti-lisation des différentes sources et des différents utilisa-teurs rattachés à un réseau de distribution de chaleur per-met une exploitation rationnelle de l’énergie. Un examenplus approfondi de la solution retenue implique unereprésentation sous forme de schéma de flux énergé-tiques, ce qui permet une analyse sommaire du pro-blème. Les questions concernant les volumes des fluxénergétiques et les conditions-limites conduisent aucœur du procédé de résolution du problème.Les limites du traitement manuel et de sa précision sontatteintes avec 3 paires «source-utilisateur». Pour desconfigurations plus complexes, on aura avantage àrecourir à un programme informatique.

Méthode du pincement à l’appendice C.☞

54

Description Valeur Cas A Cas B

Différence de températureSource-utilisateurTS-TU

______ K > 0 K < 0 K

Rapport de l’énergie de la source à l’utilisateurES-EU

______ > 1 < 1

Intervalle horaire des offres et besoins maximaux PP (S-U)

______ h 0 à 99 h > 100 h

Distance entre source et utilisateur DD (S-U)

______ m 0 à 99 m > 100 m

Tableau 76 : Liste de raccordements pour des paires «source-utilisateur » directement reliées.

Dimensionsdu réseau

TS-TU

Conséquences

Cas A Cas B

Echangeur de chaleur Pompe à chaleur

ES/EU SurplusGestion de la charge

Couverture partiellegestion énergétique

PP (S-U) Grandeur de l’accumulateur(courte durée)Adaptation

Grandeur de l’accumulateur(longue durée)Stratégie d’exploitation

D (S-U) Coût du transport :faiblePertes : faibles

Coût de transport :élevéPertes : élevées

Tableau 77 : Dimensions des réseaux et conséquences des sys-tèmes.

U1(Estimation)

U2(Estimation)

U3(Estimation)

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TS2-TU1ES2 /EU1

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TS2-TU2ES2 /EU2

PP (S2-U2)D (S2-U2)

TS2-TU3ES2 /EU3

PP (S2-U3)D (S2-U3)

S3(Estimation)

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TS3-TU2ES3 /EU2

PP (S3-U2)D (S3-U2)

TS3-TU3ES3 /EU3

PP (S3-U3)D (S3-U3)

Tableau 78 : Matrice de mise en réseau pour 3 sources et utili-sateurs de chaleur.

Annexe

55

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Annexe

56

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Dénominations, symboles, abréviations

Dénominations et symboles

Amplification électrothermique [–] ______________AET

Chaleur spécifique [J /kgK, kWh/kgK] ______________c

Coefficient de transmission thermique (W/m2K)______k

Débit, flux massique [kg /s, kg /h] __________________m

Débit, flux volumique [m3/h] ______________________V

Densité [kg /m3]____________________________________ρDifférence de pression [Pa, kPa] __________________∆p

Différence de température [K]__________________∆ϑ, ∆T

Différence de température logarithmique

moyenne [K] ____________________________∆ϑm

Durée de fonctionnement [h] ______________________tfEnergie d’appoint [MJ, kWh] ______________________Wa

Energie en général [J, MJ, Ws, kWh] ______________W

Energie nette récupérée [MJ, kWh] ______________ERn

Energie récupérée [MJ, kWh]______________________ER

Enthalpie [J /kg, kJ /kg, kWh/kg] ____________________h

Facteur de charge [–] ______________________________fcFacteur de correction, général [–] ____________________f

Flux calorifique [W, kW]____________________________Q

Flux de chaleur spécifique [MJ/m3, kWh/m3] ________q

Flux massique [kg /s, kg /h] ________________________m

Flux volumique [m3/h] ____________________________V

Humidité absolue [g /kg] __________________________x

Humidité relative [%] ______________________________ϕMasse [kg]________________________________________m

Pression [kPa] ____________________________________p

Puissance, en général [W, kW] ______________________P

Puissance thermique [W, kW] ______________________Q

Quantité de chaleur [J, kJ, Ws, kWh] ________________Q

Rendement [–] ____________________________________ηRendement d’enthalpie [–] ________________________ηh

Rendement d’humidité [–] ________________________ηx

Rendement de température [–] ____________________ηϑ

Surface [m2] ______________________________________A

Taux de renouvellement d’air [–]____________________n

Température [° C]__________________________________ϑTempérature absolue [K] __________________________T

Temps [s, h] ______________________________________t

Vitesse [m/s] ______________________________________v

Indices

Entrée____________________________________________-1

Milieu producteur de chaleur ______________________1-

Milieu absorbeur de chaleur ______________________2-

Sortie ____________________________________________-2

Abréviations

Accumulateur ____________________________________Ac

Air évacué ______________________________________AE

Air neuf ________________________________________AN

Air recyclé ______________________________________AC

Air rejeté ________________________________________AR

Air soufflé ______________________________________AS

Pompe à chaleur________________________________PAC

Récupération de chaleur __________________________RC

Source____________________________________________S

Utilisateur ________________________________________U

Utilisation des rejets thermiques ________________URT

Liste complète dans le cahier 1!☞

57

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.

Index

Installation existante, 35Installation nouvelle, 35Méthode du pincement, 51Méthodes informatiques, 36Méthodes de mesure, 39Nettoyage, 13Optimalisation, 32Organic Rankine Cycle, 46Paramètres de connexion, 36Paramètres de la source, 36 ; 37Paramètres de l’utilisateur, 36 ; 37Pertes de charge, 27Planification, 35Phases de la planification, 42Pointes de puissance, 36 ; 39Pompes à chaleur, 22Problèmes posés par les polluants, 43Procédés industriels de ventilation, 43Production d’air comprimé, 44Protection contre le gel, 13Rapport entre offre et besoin énergétiques, 36 ; 38RC sur air évacué, 11Récupérateur, 11Récupération de chaleur, 7Récupération nette d’énergie, 32Régénérateur, 11Régulation de la puissance, 12Rejets de chaleur intrinsèques, 25Rejets thermiques, 25Rendement, 28Rendements de moteurs et de ventilateurs, 30Rendement d’enthalpie, 28Rendement de température, 28 ; 29Rendement d’humidité, 28Rendement selon SICC 89 /1, 32Rentabilité, 33 ; 38Schémas hydrauliques, 12Séparation de substances, 38Situation de RC /URT dans le cadre de RAVEL, 7Symboles, 57Systèmes du type « récupérateur», 16Température de l’air extérieur, 30Transfert de chaleur, 26Transformateur de chaleur, 24Unités, 57URT externe, 7URT interne, 7Utilisation des rejets thermiques, 7

Aide-mémoire, 35Aide-mémoire « source de chaleur», 53Aide-mémoire « récepteur de chaleur», 53Amplificateur électrothermique, 8 ; 29Aspect à la livraison, 16Assainissement, 35Barrières de sécurité, 46Caloduc, 21Catégories I à IV, 11Chaleur diffuse, 25Chaleur récupérée, 30Circuit fermé, 20Coefficient de transmission de chaleur, 26Compression bi-étagée, 23Concept énergétique, 7Concepts RC et URT, 7Condenseur, 19Connexion entre source et utilisateur, 53Consommation d’énergie, 40Contamination, 13Couplage chaleur-force, 46Coûts externes, 39Différence de température, 26 ; 36 ; 38Différence de température logarithmique, 26Domaines d’application, 43Domaines d’utilisation en relation avec RAVEL, 8Dénominations, 57Diagramme de Sankey, 25Distance entre source et utilisateur, 37 ; 38Durée de vie de l’installation, 38Echangeur de chaleur à faisceaux de tubes, 19Echangeur de chaleur

à faisceaux de tubes pour l’air, 16Echangeur de chaleur à plaques pour air, 16Echangeur de chaleur à plaques pour liquides, 17Echangeur de chaleur spiralé, 18Echangeur de chaleur en céramique, 20Echangeur de chaleur en graphite, 19Echangeur de chaleur en matière plastique, 20Echangeur de chaleur rotatif, 21Echangeur de chaleur tubulaire, 18Echangeur de chaleur à double manteau, 18Echelonnement des dispositions, 7Energie d’appoint, 13 ; 27Exemples, 47Formules de transfert de chaleur, 26Gain financier, 32Gel, 13Grandeurs caractéristiques, 28Indications de puissance, 16Indices, 57Industrie, 43 ; 44Industrie chimique, 45Installations de refroidissement, 43

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INDEX

Organisation de soutien

SBHISociété suisse des ingénieurs conseils

de la technique du bâtimentet de l’énergie

Patronage

ASCVAssociation suisse des entreprises

de chauffage et de ventilation

SICCSociété suisse des ingénieursen chauffage et climatisation

USTSCUnion suisse des professionnels

de la technique sanitaire et chauffage

UTSUnion technique suisse

ISBN 3-905233-77-0

Edition originale : ISBN 3-905233-08-8

récupération de chaleur et utilisation des rejets thermiques

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